KR20190053266A - Method for increasing scanning speed of scanning probe microscope in scanning probe microscope and step-in scanning mode - Google Patents

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Abstract

본 발명은 (a) 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛(555); 및 (b) 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브(400)를 고유 진동(1050)으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 주사 탐침 현미경(500)에 관한 것이다.(A) a scanning unit 555 implemented to scan a measurement probe 400 in a step-by-scan mode over a sample surface 515; And (b) a self-oscillating circuit arrangement 590, 790, which is embodied to excite the measurement probe 400 to the natural vibration 1050 during the step-in scan mode, is directed to a scanning probe microscope 500.

Description

주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법Method for increasing scanning speed of scanning probe microscope in scanning probe microscope and step-in scanning mode

본 특허 출원은 2016년 10월 28 일자로 출원된 독일 특허 출원 DE 10 2016 221 319.9의 우선권을 주장하며, 이는 본원에 참조로서 명백하게 포함된다.This patent application claims priority from German Patent Application DE 10 2016 221 319.9, filed October 28, 2016, which is expressly incorporated herein by reference.

본 발명은 주사 탐침 현미경 및 스텝인 주사 모드에서 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키기 위한 방법에 관한 것이다.The present invention relates to a scanning probe microscope and a method for increasing the scanning speed of a scanning probe microscope in a step-in scanning mode.

주사 탐침 현미경은 샘플 또는 그 표면을 주사하기 위해 측정 프로브를 사용하여 샘플 표면의 토포그래피(topography)를 표현하기 위한 측정 데이터를 산출한다. 주사 탐침 현미경은 이하 SPM으로 약칭한다. 서로 다른 SPM 유형은 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용 유형에 따라 구별된다.The scanning probe microscope uses the measuring probe to scan the sample or its surface to produce measurement data for representing the topography of the sample surface. The scanning probe microscope is hereinafter abbreviated as SPM. Different SPM types are distinguished by the type of interaction between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface.

원자간력 현미경(AFM) 또는 주사 포스 현미경(SFM)이라고 하는 현미경에서, 측정 프로브의 측정 팁은 샘플 표면의 원자력, 일반적으로 교환 상호 작용(exchange interaction)의 반데르발스 인력 및/또는 척력에 의해 편향된다. 측정 팁의 편향은 측정 팁과 샘플 표면 사이에 작용하는 힘에 비례하며, 이 힘은 샘플의 표면 토포그래피를 결정하는 데 사용된다.In a microscope called an Atomic Force Microscope (AFM) or a Spherical Force Microscope (SFM), the measuring tip of the measuring probe is rotated by the atomic force of the sample surface, typically the Van der Waals attraction and / or repulsion force of the exchange interaction Biased. The deflection of the measuring tip is proportional to the force acting between the measuring tip and the sample surface, which force is used to determine the surface topography of the sample.

AFM 이외에도, 예를 들어, 주사 터널링 현미경, 자력 현미경 또는 광학 및 음향 근접 주사 현미경과 같은 특정 적용 분야에 사용되는 다수의 추가 장치 유형이 있다. In addition to AFM, there are many additional types of devices used in certain applications, such as, for example, scanning tunneling microscopes, magnetic force microscopes, or optical and acoustic proximity scanning microscopes.

주사 탐침 현미경은 다른 작동 모드에서 사용될 수 있다. 제1 접촉 모드에서, 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면 상에 위치되고, 이 상태에서 샘플 표면 위로 주사된다. 여기서 측정 팁을 운반하는 측정 프로브의 캔틸레버 또는 스프링 빔의 편향이 측정될 수 있고, 샘플 표면을 이미징하는 데 사용할 수 있다. 제2 접촉 모드에서, 캔틸레버의 편향은 폐쇄된 제어 루프에서 일정하게 유지되고, SPM의 거리는 샘플 표면의 윤곽을 추적한다. 이 두 가지 작동 모드에서는 첫번째로 측정 팁이 크게 마모되고, 두번째로 민감한 샘플이 측정 팁과의 접촉으로 손상되거나 파괴될 수 있다.The scanning probe microscope may be used in other operating modes. In the first contact mode, the measuring tip of the measuring probe is located on the sample surface and is scanned over the sample surface in this state. Where the deflection of the cantilever or spring beam of the measuring probe carrying the measuring tip can be measured and used to image the sample surface. In the second contact mode, the deflection of the cantilever is held constant in the closed control loop, and the distance of the SPM tracks the contour of the sample surface. In these two modes of operation, the measuring tip may wear out first, and the second sensitive sample may be damaged or destroyed by contact with the measuring tip.

제3 작동 모드인 비접촉 모드에서, 측정 팁은 샘플 표면으로부터 규정된 거리로 이동되고, 측정의 캔틸레버는 통상적으로 캔틸레버의 공진 주파수에서 또는 그 부근에서 진동하도록 여기된다. 그런 다음 측정 프로브가 샘플 표면 위로 주사된다. 이 작동 모드에서 측정 팁이 샘플과 접촉하지 않기 때문에 마모가 적다. 그러나, SPM의 공간 분해능은 접촉 작동 모드보다 이 작동 모드에서 더 낮으며, 또한 샘플 표면에서 작용하는 힘의 짧은 범위로 인해 표면 윤곽을 결정하는 것이 어렵다.In the non-contact mode, which is the third mode of operation, the measuring tip is moved a specified distance from the sample surface and the cantilever of the measurement is typically excited to vibrate at or near the resonant frequency of the cantilever. The measuring probe is then scanned over the sample surface. In this mode of operation, the measurement tip is not in contact with the sample and therefore wear is low. However, the spatial resolution of the SPM is lower in this operating mode than the contact operating mode, and it is also difficult to determine the surface contour due to the short range of forces acting on the sample surface.

제4 작동 모드인 간헐적 모드(또는 탭핑 모드TM)에서, 캔틸레버는 마찬가지로 강제 진동을 수행하도록 하지만, SPM과 샘플 표면 사이의 거리는 발진기의 작은 부분 동안에만 측정 팁이 샘플 표면에 도달하도록 선택된다. 샘플 표면의 윤곽은 강제 진동의 주파수, 진폭 또는 위상의 변화에서 파생되며, 이 변화는 측정 프로브와 샘플 표면의 상호 작용으로 인해 발생한다. 간헐 모드는 앞서 언급한 세 가지 작동 모드 간의 절충안을 나타낸다.In the intermittent mode (or tapping mode TM ), which is the fourth operating mode, the cantilever likewise forces forced oscillation, but the distance between the SPM and the sample surface is selected so that the measuring tip reaches the sample surface only during a small portion of the oscillator. The contour of the sample surface is derived from the change in frequency, amplitude or phase of the forced vibration, which is caused by the interaction of the measurement probe and the sample surface. Intermittent mode represents a compromise between the three operating modes mentioned above.

간행물 "자여 발진 방식 태핑 모드 원자력 현미경", Rev. Scien. Instr., volume 72, number 9, pages 4220-4222에서, 저자 L. Maning, B. Rogers, M. Jones, J.D. Adams, J.L. Fuste 및 S.C. Minne은 간헐적인 작동 모드(또는 탭핑 모드™)에 사용되는 압전 마이크로 캔틸레버 센서를 기술하고 있다.Publication "Self-oscillating Tapping Mode Nuclear Microscope", Rev. Scien. Instr., Volume 72, number 9, pages 4220-4222, the authors L. Maning, B. Rogers, M. Jones, J. D. Adams, J.L. Fuste and S.C. Minne describes a piezoelectric microcantilever sensor for use in intermittent mode of operation (or tapping mode ™).

위의 단락에 명시된 출판물과 유사하게, B. Rogers, L. Manning, T. Sulchek, J.D. Adams in Ultramicroscopy 100(2004), pages 267-276 의 논문 "압전 캔틸레버를 이용한 탭핑 모드 원자력 현미경 개선"은 간헐 동작 모드에서 사용하기 위한 압전 마이크로-캔틸레버 센서를 기술하고 있다.Similar to the publications specified in the paragraph above, B. Rogers, L. Manning, T. Sulchek, J. D. Adams in Ultramicroscopy 100 (2004), pages 267-276, entitled " Improvement of Tapping Mode Nuclear Microscope Using Piezoelectric Cantilever ", describes a piezoelectric micro-cantilever sensor for use in intermittent mode of operation.

"Sensors & Trans-ducers Journal, volume 98, issue 11, 2008 년 11 월호, 45-53 페이지, ISSN 1726-5479의 논문 "바이모프 액추에이터와 압저항식 판독 기능이 통합된 마이크로 캔틸레버의 자여 발진 모드를 위한 모든 디지털 PLL 시스템 "에서, 저자 N. Nikolov, N. Kenarov, P. Popov, T. Gotszalk 및 I. Rangelow는 통합 바이모프 액추에이터와 압저항식 판독 장치가 있는 마이크로 캔틸레버용 자여 발진 시스템을 설명한다."Sensors & Trans-ducers Journal, volume 98, issue 11, November 2008, pp. 45-53, ISSN 1726-5479," A self-oscillating mode of a microcantilever integrated with bi- , N. Nikolov, N. Kenarov, P. Popov, T. Gotszalk, and I. Rangelow describe self-oscillating oscillator systems for microcantilevers with integrated bimorph actuators and piezoresistive readers .

제5 작동 모드인 스텝인 동작 모드 또는 단순히 스텝인 모드에서, 샘플 표면에 수직인 및 샘플 표면에 평행한 이동이 순차적으로 수행된다. 이를 위해, 측정 프로브의 측정 팁을 샘플 표면 위로 내리고, 샘플 표면과 측정 팁 사이의 상호 작용을 동시에 측정한다. 그 후, 측정 팁이 실질적으로 초기 위치로 다시 가게된다. 결과적으로, 측정 팁은 샘플 표면에 평행한 규정된 부분에 의해 변위되고, 분석 프로세스는 추가로 낮추는 프로세스와 함께 계속된다. 이러한 관계는 도 1에 개략적으로 설명된다.In an operation mode, which is a fifth operation mode, or simply a step-in mode, a movement perpendicular to the sample surface and parallel to the sample surface is sequentially performed. To do this, the measuring tip of the measuring probe is lowered over the sample surface and the interaction between the sample surface and the measuring tip is measured simultaneously. Thereafter, the measurement tip is moved back substantially to the initial position. As a result, the measurement tip is displaced by a defined portion parallel to the sample surface, and the analysis process continues with the further lowering process. This relationship is schematically illustrated in Fig.

논문 "반도체 공정 평가를위한 인라인 원자력 현미경" Hitachi Review, volume 51(2002), number 4, 130-135 페이지에서, 저자인 H. Koyabu, K. Murayama, Y. Kembo and S. Hosaka는 AFM의 작동 모드의 단계를 설명한다. 도 1은 상술한 공개물로부터 발췌한 것이다.In the paper "In-line Nuclear Microscope for Semiconductor Process Evaluation", Hitachi Review, volume 51 (2002), number 4, pp. 130-135, the authors H. Koyabu, K. Murayama, Y. Kembo and S. Hosaka, The steps of the mode will be described. Figure 1 is an excerpt from the above disclosure.

미국 특허 제 7 129 486 B2 호의 미국 특허 문서는 스텝인 주사 모드와 유사한 PFM(pulsed force mode) 동작 모드에 대한 시간-힘 곡선의 측정 및 분석을 기술하고 있다. U.S. Patent No. 7 129 486 B2 describes the measurement and analysis of time-force curves for a pulsed force mode (PFM) mode of operation similar to a step-in scan mode.

미국 특허 제 7 631 548 B2 호의 미국 특허 문서는 주사 탐침 현미경의 스텝인 동작 모드를 고려하고, 편향 신호의 검출된 시간 곡선이 어떻게 샘플 표면을 분석하는데 사용될 수 있는지를 설명한다.U.S. Patent No. 7 631 548 B2 takes into account the step-by-step mode of operation of the scanning probe microscope and explains how the detected time curve of the deflection signal can be used to analyze the sample surface.

측정 프로브의 캔틸레버의 측정 팁을 샘플 표면 상에 낮추고 프로브로부터 측정 팁을 회수하는 시간 곡선을 재현하는 도 2는 직전 언급된 특허 출원으로부터 발취했다. 스텝인 동작 모드의 특징은, 측정 프로브의 캔틸레버의 진동의 의도하지 않은 여기로서, 상기 진동은 예를 들어 샘플 표면과 측정 팁 사이의 접착력에 의해 야기된다. 샘플 표면으로부터 측정 프로브가 회수하는 동안 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면에서 들어 올려질 때, 이 힘은 측정 프로브의 공진 주파수 또는 그 고유 진동에서 진동을 여기한다. 측정 프로브의 스프링 상수 크기와 주사 탐침 현미경의 측정 프로브가 작동하는 주변 조건에 따라, 이 진동의 감쇠는 도 2에 도시된 것보다 상당히 낮을 수 있다. 도 3은 샘플 표면에서 들어 올려지는 측정 프로브에 의해 여기된 진동의 2차 감쇠 곡선이다. 이 도면은 특허 문헌 US 8 650 660 B2로부터 취해졌다.Figure 2, which reproduces the time curve of lowering the measurement tip of the cantilever of the measurement probe onto the sample surface and withdrawing the measurement tip from the probe, is taken from the aforementioned patent application. A feature of the step-in mode of operation is the unintentional excitation of the vibration of the cantilever of the measurement probe, which is caused, for example, by the adhesive force between the sample surface and the measurement tip. When the measuring tip of the measuring probe is lifted from the sample surface while the measuring probe is withdrawn from the sample surface, this force excites the oscillation at the resonant frequency of the measuring probe or its inherent oscillation. Depending on the spring constant of the measurement probe and the ambient conditions under which the measurement probe of the scanning probe microscope operates, the attenuation of this vibration may be significantly lower than that shown in FIG. 3 is a second attenuation curve of the excitation of the excitation by a measuring probe lifted from the sample surface. This drawing is taken from patent document US 8 650 660 B2.

캔틸레버의 진동이 상당한 진폭을 갖는 한 추가 주사 프로세스가 시작될 수 없다. 그 위에 겹쳐지는 측정 프로브의 감쇠 진동을 갖는 측정은 큰 어려움으로 만 해석될 수 있다. 따라서 샘플 표면을 떠날 때 여기되는 측정 프로브의 진동 감쇠 시간은 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 제한한다.An additional scanning process can not be started as long as the vibration of the cantilever has a significant amplitude. Measurements with damped vibrations of the measuring probe superimposed thereon can only be interpreted with great difficulty. Therefore, the vibration decay time of the measuring probe that is excited when leaving the sample surface limits the scanning speed of the scanning probe microscope.

이미 위에서 언급한 미국 특허 번호 제8 650 660 B2 호의 문서는 AFM의 PFT(peak force tapping) 작동 모드를 설명한다. 첫째로, PFT 작동 모드는 AFM의 자동 조정을 단순화하고 두 번째로 PFT 작동 모드는 캔틸레버의 진동 감쇠를 기다릴 필요가 없으며, 이는 새로운 측정 사이클이 시작되기 이전에 측정 팁이 샘플 표면을 들어올리는 경우에 여기된다. 이를 위해, 측정 프로브의 측정 데이터는 샘플 또는 그 표면과의 모든 상호 작용 사이클에 걸쳐 기록된다. 상호 작용 사이클은 측정 프로브가 샘플과 상호 작용하는 상호 작용 부분과 샘플 표면과 측정 프로브 사이의 상호 작용이 없는 부분으로 세분된다. 샘플과 측정 프로브 사이의 상호 작용력은 상호 작용 부분에서 결정되고, 측정 팁의 편향의 영점은 상호 작용이 없는 부분에서 계산된다.The above-mentioned U.S. Patent No. 8 650 660 B2 document describes the peak force tapping (PFT) mode of operation of the AFM. First, the PFT mode of operation simplifies the automatic adjustment of the AFM and secondly the PFT mode of operation does not have to wait for the vibration damping of the cantilever, as the measurement tip lifts the sample surface before the start of a new measurement cycle Here comes. To this end, the measurement data of the measurement probe is recorded over every interaction cycle with the sample or its surface. The interaction cycle is subdivided into parts where the measurement probe interacts with the sample, and where there is no interaction between the sample surface and the measurement probe. The interaction force between the sample and the measurement probe is determined in the interaction part, and the zero point of the bias of the measurement tip is calculated in the non-interaction part.

이 특허 문서에는 측정 프로브의 측정 팁과 측정 데이터로부터의 샘플 표면 사이의 상호 작용을 확인하기 위하여 스텝인 주사 사이클 당 많은 양의 데이터의 정확한 기록, 각 스텝인 주사 사이클 내 상호 작용 부분 또는 상호 작용 영역을 결정하기 위한 마커의 자동 또는 수동 배치 및 큰 연산 용량을 필요로 한다.This patent document describes the precise recording of large amounts of data per step-in scan cycle in order to confirm the interaction between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface from the measurement data, Lt; RTI ID = 0.0 > and / or < / RTI >

본 발명은 SPM의 스텝인 주사 모드의 상술한 문제 영역 또는 이전 솔루션의 복잡성을 피하기 위해 적어도 부분적으로 사용될 수 있는 장치 및 방법을 특정하는 문제점을 해결한다.The present invention solves the problem of specifying an apparatus and method that can be used, at least in part, to avoid the above-mentioned problem areas of the scan mode, which are steps of the SPM, or the complexity of previous solutions.

본 발명의 실시예에 따르면, 이러한 문제는 청구항 1에 따른 장치에 의해 해결된다. 일 실시예에서, 상기 장치는 주사 탐침 현미경을 포함하며, 상기 주사 탐침 현미경은: a. 샘플 표면 위로 측정 프로브를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛; 및 b. 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브를 고유 진동으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치를 가진다.According to an embodiment of the present invention, this problem is solved by an apparatus according to claim 1. In one embodiment, the apparatus comprises a scanning probe microscope, wherein the scanning probe microscope comprises: a. A scanning unit adapted to scan the measuring probe in step-by-step scanning mode over a sample surface; And b. And a self-oscillating circuit device configured to excite the measurement probe to natural vibration during the step-in scan mode.

샘플 표면에서 측정 프로브를 들어 올리면, 매우 넓은 주파수 스펙트럼이 측정 프로브를 여기시키며, 상기 측정 프로브가 고유 또는 공진 주파수에서 이완 발진을 일으킨다. 본 발명에 따른 주사 탐침 현미경의 자여 발진 회로 장치는 스텝인 동작 모드 동안 측정 프로브의 고유 또는 공진 주파수에서 정밀하게 발진하도록 측정 프로브를 여기시킨다. 측정 프로브가 고유 주파수에서 작동됨에 따라, 측정 프로브와 샘플 표면 사이의 점착력으로 인해 발생하는 측정 프로브의 감쇠 진동은 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면에서 분리된 후 측정 프로브의 미리 결정된 진폭에서의 고유 진동의 적시의 진입(set-in)을 돕는다. 측정 프로브가 샘플 표면에서 들어 올려진 후, 들어올림에 의해 유도된 진동의 진폭이 새로운 주사 사이클 또는 스텝인 사이클이 시작되기 전에 고유 진동의 미리 정해진 진폭에 도달할 때까지 기다리기만 하면 된다. 이는 스텝인 주사 모드에서의 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 현저하게 증가시킨다.When the measurement probe is lifted from the sample surface, a very wide frequency spectrum excites the measurement probe, which causes a relaxation oscillation at a natural or resonant frequency. The self-oscillating circuit arrangement of the scanning probe microscope according to the present invention excites the measuring probe to oscillate precisely at the natural or resonant frequency of the measuring probe during the step-in operating mode. As the measuring probe is operated at its natural frequency, the damping oscillation of the measuring probe, which is caused by the adhesion between the measuring probe and the sample surface, is determined by the characteristic vibrations at a predetermined amplitude of the measuring probe after the measuring tip of the measuring probe is separated from the sample surface In-time. ≪ / RTI > After the measurement probe has been lifted from the sample surface, it is sufficient to wait until the amplitude of the oscillation induced by the lifting reaches a predetermined amplitude of the natural oscillation before the start of a new scan cycle or step-in cycle. This significantly increases the scanning speed of the scanning probe microscope in step-in scan mode.

상기 자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동에 대한 여기의 위상을 설정하도록 구현된 위상 시프터를 포함할 수 있다.The self-oscillating circuit arrangement may comprise a phase shifter implemented to set an excitation phase for the natural oscillation of the measurement probe.

고유 주파수에서의 측정 프로브의 진동은 측정 프로브가 샘플 표면에서 들어올려진 이후에 가능한 빨리 재설정 될 수 있도록 하기 위해, 여기 또는 여기 신호와 측정 프로브의 고유 진동이 서로에 대해 규정된 위상차를 갖는 것이 바람직하다. 측정 프로브의 고유 진동의 가능한 최적의 여기는 여기 신호와 고유 진동이 실질적으로 90 °의 위상차를 가지는 경우에 달성된다.It is preferable that the vibrations of the measuring probe at the natural frequency are such that the inherent vibrations of the excitation or excitation signal and the measuring probe have a prescribed phase difference with respect to each other so that the measuring probe can be reset as soon as possible after it has been lifted from the sample surface . The possible optimal excitation of the natural oscillation of the measurement probe is achieved when the excitation signal and the natural oscillation have a phase difference of substantially 90 [deg.].

본 출원 및 다른 곳에서, "실질적으로"라는 표현은 측정 변수가 종래 기술에 따라 측정 도구를 사용하여 측정되는 경우의 그의 오차 허용 범위 내의 측정 변수의 표시를 나타낸다.In the present application and elsewhere, the expression " substantially " refers to an indication of a measurement variable within its error tolerance when the measurement variable is measured using a measurement tool according to the prior art.

상기 위상 시프터는 측정 프로브의 고유 진동의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±30°, 바람직하게는 ±20°, 보다 바람직하게는 ±10° 및 가장 바람직하게는 ±5°의 범위의 위상차로 상기 여기를 설정하도록 구현될 수 있다.The phase shifter has a phase difference in the range of ± 30 °, preferably ± 20 °, more preferably ± 10 ° and most preferably ± 5 ° with respect to the possible optimum excitation of the natural probe oscillation, And the like.

상기 자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동의 진폭을 설정하도록 구현된 자동 이득 폐루프 제어를 포함한다.The self-oscillating circuit device includes an automatic gain closed loop control implemented to set the amplitude of the natural oscillation of the measurement probe.

상기 자동 이득 폐루프 제어는 적어도 하나의 증폭기, 주사 홀드 회로 장치, 및 제어 유닛을 포함할 수 있으며, 상기 제어 유닛은 주사 모드와 홀드 모드 사이에서 상기 주사 홀드 회로 장치를 스위칭하도록 구현된다.The automatic gain closed loop control may include at least one amplifier, a scan-hold circuit device, and a control unit, wherein the control unit is configured to switch the scan-hold circuit device between a scan mode and a hold mode.

상기 자여 발진 회로 장치는 디지털 회로로서 구현될 수 있다. 상기 자여 발진 회로 장치는 FPGA(field-programmable gate array) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)로 구현될 수 있다.The self-oscillating circuit device may be implemented as a digital circuit. The self-oscillating circuit device may be implemented as a field-programmable gate array (FPGA) or an application specific integrated circuit (ASIC).

또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 측정 프로브의 캔틸레버에 전달하도록 구현된 제1 액추에이터를 가질 수 있으며, 또한 상기 자동 이득 폐루프 제어의 상기 제어 유닛으로부터의 신호를 상기 측정 프로브의 캔틸레버에 전달하도록 구현된 제2 액추에이터를 가질 수 있다.Further, the scanning probe microscope may have a first actuator implemented to transmit the excitation of the self-oscillating circuit device to the cantilever of the measurement probe, and may further comprise a signal from the control unit of the automatic gain- Lt; RTI ID = 0.0 > a < / RTI > cantilever of the probe.

상기 주사 탐침 현미경은 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 제1 액추에이터에 전달하도록 구현된 제1 레이저 시스템을 가질 수 있으며, 또한 상기 제어 유닛으로부터의 신호를 상기 제2 액추에이터에 전달하도록 구현된 제2 레이저 시스템을 가질 수 있다.The scanning probe microscope may have a first laser system configured to deliver an excitation of the self-oscillating circuit arrangement to the first actuator and a second laser system configured to transmit a signal from the control unit to the second actuator, Laser system.

상기 제1 액추에이터 및 상기 제2 액추에이터는 바이모프 액추에이터로 구현될 수 있다. 상기 측정 프로브의 상기 캔틸레버는 바이모프 액추에이터를 포함할 수 있다.The first actuator and the second actuator may be implemented as a bimorph actuator. The cantilever of the measurement probe may include a bimorph actuator.

또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 측정 프로브의 캔틸레버의 편향을 검출하도록 구현되는 검출기를 가질 수 있으며, 또한 상기 측정 프로브의 캔틸레버의 자유 단부의 수직 위치를 검출하도록 구현되는 검출 유닛을 가질 수 있다.In addition, the scanning probe microscope may have a detector implemented to detect deflection of the cantilever of the measurement probe, and may also have a detection unit implemented to detect the vertical position of the free end of the cantilever of the measurement probe.

상기 검출기는 광검출기 및/또는 간섭계를 포함할 수 있고, 검출 유닛은 광검출기 및/또는 간섭계를 포함할 수 있다. 자여 발진 회로 장치의 제어 유닛은 측정 프로브의 고유 진동의 주파수의 변화의 측정으로부터 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 상호 작용을 결정하도록 구현될 수 있다.The detector may comprise a photodetector and / or an interferometer, and the detection unit may comprise a photodetector and / or an interferometer. The control unit of the self-oscillating circuit arrangement can be implemented to determine the interaction between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface from the measurement of the change in frequency of the natural oscillation of the measurement probe.

또한, 상기 주사 탐침 현미경은 상기 주사 유닛 및 여기 유닛을 포함하는 제어 장치를 가질 수 있으며, 상기 여기 유닛은 상기 자여 발진 회로 장치를 제어하도록 구현된다.Further, the scanning probe microscope may have a control device including the scan unit and the excitation unit, and the excitation unit is implemented to control the self-oscillating circuit device.

측정 프로브의 고유 진동은 1 kHz 내지 20 MHz, 바람직하게는 5 kHz 내지 10 MHz, 보다 바람직하게는 10 kHz 내지 5 MHz 및 가장 바람직하게는 20 kHz 내지 2 MHz의 주파수 범위를 포함할 수 있다. 상기 측정 프로브의 상기 고유 주파수의 진폭은 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 5nm 내지 700nm, 보다 바람직하게는 10nm 내지 500nm 및 가장 바람직하게는 20nm 내지 200nm의 범위를 포함할 수 있다.The natural vibration of the measurement probe may comprise a frequency range of 1 kHz to 20 MHz, preferably 5 kHz to 10 MHz, more preferably 10 kHz to 5 MHz and most preferably 20 kHz to 2 MHz. The amplitude of the natural frequency of the measurement probe may range from 1 nm to 1000 nm, preferably from 5 nm to 700 nm, more preferably from 10 nm to 500 nm, and most preferably from 20 nm to 200 nm.

자여 발진 회로 장치는 상기 측정 프로브의 고유 진동의 진폭을 모니터 하기 위하여 상기 자여 발진 회로 장치에 의해 이용되는 제어 신호를 제공하도록 구현되는 커넥터를 가질 수 있다.The self-oscillating circuit device may have a connector implemented to provide a control signal used by the self-oscillating circuit device to monitor the amplitude of the natural oscillation of the measurement probe.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 청구항 15에 따른 방법에 의해 문제가 해결된다. 실시예에서, 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키는 방법으로서, 이하 단계: a. 샘플 표면 위로 측정 프로브를 스텝인 주사 모드로 주사하는 단계; 및 b. 자여 발진 회로 장치를 이용하여 상기 스텝인 주사 모드 동안 고유 진동을 수행하기 위하여 상기 측정 프로브를 여기하는 단계를 포함한다. According to another embodiment of the present invention, the problem is solved by the method according to claim 15. In an embodiment, a method of increasing the scanning speed of a scanning probe microscope operating in a step-in scanning mode, comprising the steps of: a. Scanning the measurement probe in step-by-scan mode over a sample surface; And b. And exciting the measurement probe to perform a natural oscillation during the step-in scan mode using a self-oscillating circuit device.

상기 단계 a. 및 b.는 ; c. 단계 b.에서: 상기 자여 발진 회로 장치의 여기를 상기 측정 프로브에 전달하도록 구현되는 상기 제1 액추에이터를 작동시키는 단계; d. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 거리를 변화시키도록 구현되는 제2 액추에이터를 작동시키는 단계; 및 e. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉을 검출하는 단계를 포함할 수 있다.Wherein step a. And b. c. Operating the first actuator, which is embodied to deliver an excitation of the self-oscillating circuit arrangement to the measurement probe, in step b. d. In step a.: Actuating a second actuator implemented to vary the distance between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface; And e. In step a., Detecting contact between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface may be included.

상기 단계 a. 및 b.는: f. 단계 b.에서: 상기 제2 액추에이터를 작동시키는 단계; g. 단계 b.에서: 주사 홀드 회로 장치를 주사 모드로부터 홀드 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동정지시키는 단계; h. 단계 b.에서: 상기 측정 프로브의 상기 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계값 이하로 떨어지는 경우에 상기 제1 액추에이터를 작동정지시키는 단계; i. 단계 a.에서: 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면의 접촉을 검출한 이후에 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁의 수직 위치를 결정하는 단계; j. 단계 a.에서: 상기 제2 액추에이터를 작동정지시키고, 상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉의 손실이 있을 때까지 미리 결정된 지속 시간을 대기하는 단계; k. 단계 b.에서: 상기 제1 액추에이터를 동상으로 작동시키는 단계; 및 l. 단계 b.에서: 상기 주사 홀드 회로 장치를 홀드 모드로부터 주사 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동시키는 단계를 더 포함할 수 있다.Wherein step a. And b. Are: f. In step b.: Operating said second actuator; g. In step b.: Deactivating the amplitude closed loop control by switching the scan hold circuit device from the scan mode to the hold mode; h. Stopping the first actuator if the amplitude of the natural vibration of the measurement probe falls below a predetermined threshold value in step b. i. In step a.: Determining the vertical position of the measuring tip of the measuring probe after detecting contact of the measuring tip with the sample surface; j. Stopping the second actuator and awaiting a predetermined duration until there is a loss of contact between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface in step a. k. In step b.: Operating the first actuator in phase; And l. Step b. May further comprise: activating the amplitude closed loop control by switching the scan hold circuit device from the hold mode to the scan mode.

상기 측정 프로브의 상기 측정 팁과 상기 샘플 표면 사이의 접촉을 검출하는 단계는 이 지점에서의 상기 측정 프로브의 측정 팁의 수직 위치의 결정을 포함할 수 있다.Detecting the contact between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface may comprise determining the vertical position of the measurement tip of the measurement probe at this point.

상기 방법은 상기 제1 액추에이터의 작동 없이 상기 측정 프로브의 고유 진동의 감쇠 곡선으로부터 상기 제1 액추에이터의 동상 작동을 위한 스위치 온 시간을 결정하는 단계를 더 포함할 수 있다.The method may further comprise determining a switch-on time for in-phase operation of the first actuator from an attenuation curve of the natural vibration of the measurement probe without operation of the first actuator.

컴퓨터 시스템에 의해 실행되는 경우에, 전술한 측면의 방법 단계들을 수행하기 위하여 컴퓨터 시스템을 프롬프트하는 명령들을 포함할 수 있다.When executed by a computer system, it may include instructions to prompt the computer system to perform the method steps of the above-described aspects.

다음의 상세한 설명은 본 발명의 현재 바람직한 실시예를 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 종래 기술에 따른 주사 탐침 현미경의 스텝인 주사 모드를 개략적으로 도시한다.
도 2는 샘플 표면에 대한 측정 프로브의 접근과 상부 부분 이미지에서의 측정 프로브의 캔틸레버의 편향 신호를 도시하며, 샘플 표면에 대한 측정 프로브의 측정 팁의 접근, 상기 측정 팁과 샘플 표면의 접촉 및 하부 부분 이미지에서의 샘플 표면에서의 측정 프로브의 측정 팁의 들어올림을 제공한다.
도 3은 종래 기술에 따른 관련 이완 발진을 갖는 주사 탐침 현미경의 스텝인 동작 모드 또는 스텝인 주사 모드의 2 사이클을 도시하며, 상기 이완 발진은 샘플 표면에서 측정 프로브를 들어올림에 의해 유도된다.
도 4는 바이 모프 액추에이터를 구비한 측정 프로브의 개략도이다.
도 5는 주사 탐침 현미경의 일부 구성 요소를 개략적으로 도시한 도면.
도 6은 자여 발진 회로 배열의 일부 구성 요소를 재생산한다.
도 7은 FPGA의 형태로 구현된 자여 발진 회로 장치의 일부 구성 요소를 도시한다.
도 8은 스텝인 주사 모드의 사이클의 개략도.
도 9는 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타내며, 측정 프로브의 여기 주파수는 측정 프로브의 공진 주파수와 일치하지 않다.
도 10은 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타내며, 여기서 측정 프로브의 여기 주파수는 공진 주파수와 일치한다.
도 11은 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경의 주사 속도를 증가시키는 방법의 흐름도를 나타낸다.The following detailed description sets forth the presently preferred embodiments of the invention with reference to the drawings.
1 schematically shows a scanning mode which is a step of a scanning probe microscope according to the prior art.
Figure 2 shows the approach of the measuring probe to the sample surface and the deflection signal of the cantilever of the measuring probe in the upper partial image and shows the approach of the measuring tip of the measuring probe to the sample surface, Provides lifting of the measurement tip of the measurement probe at the sample surface in the partial image.
Fig. 3 shows two cycles of a scanning mode, which is a stepping-in operation mode or a step-by-step scanning microscope with an associated relaxation oscillation according to the prior art, wherein the relaxation oscillation is induced by lifting the measuring probe at the sample surface.
4 is a schematic view of a measurement probe with a bimorph actuator.
Figure 5 schematically shows some components of a scanning probe microscope;
Figure 6 reproduces some of the components of the self-oscillating circuit arrangement.
Figure 7 shows some components of a self-oscillating circuit arrangement implemented in the form of an FPGA.
8 is a schematic diagram of a cycle of a step-in scan mode;
Fig. 9 shows a cycle of the step-in scanning mode, in which the excitation frequency of the measurement probe does not coincide with the resonance frequency of the measurement probe.
10 shows a cycle of a step-in scan mode, wherein the excitation frequency of the measurement probe coincides with the resonance frequency.
11 shows a flowchart of a method for increasing the scanning speed of a scanning probe microscope operating in a step-in scanning mode.

도 1 내지 도 3은 주사 동작 모드, 주사 모드 또는 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경과 관련된 문제점을 간략하게 설명하기 위해 사용된다. 그 후, 본 발명에 따른 장치 및 본 발명에 따른 방법의 현재 바람직한 실시예가 보다 상세히 설명될 것이다.Figures 1-3 are used to briefly describe the problems associated with a scanning probe microscope operating in a scanning mode of operation, a scanning mode, or a step-in scanning mode. The presently preferred embodiments of the apparatus according to the invention and the method according to the invention will then be described in more detail.

도 1의 다이어그램은 스텝인 주사 모드로 작동되는 주사 탐침 현미경에 의해 측정 데이터가 기록되는 방법을 개략적으로 도시한다. 단계(i)에서, 측정 프로브는 샘플의 표면 상에 배치된다. 측정 프로브와 샘플 표면 사이의 마지막 접근 단계에서, 측정 프로브의 측정 팁은 주로 반데르발스 힘인 샘플 표면의 인력의 영향을 받으며, 상기 측정 팁이 샘플 표면에 의해 끌린다. 도 3에서, 이 영역은 문자 A와 B로 지정된다. B 지점에서 측정 프로브가 샘플 표면과 접촉한다. 이 상태에서 z 방향 또는 수직 방향, 즉 샘플 표면에 수직인 측정 프로브의 거리가 기준점 또는 기준면에 대해 측정된다.The diagram of FIG. 1 schematically shows how measurement data is recorded by a scanning probe microscope operating in a step-in scanning mode. In step (i), the measurement probe is placed on the surface of the sample. In the last approach step between the measurement probe and the sample surface, the measurement tip of the measurement probe is mainly influenced by the attractive force of the sample surface, which is the van der Waals force, and the measurement tip is attracted by the sample surface. In Fig. 3, this area is designated by the letters A and B. At point B, the measurement probe is in contact with the sample surface. In this state, the distance of the measurement probe in the z direction or vertical direction, i.e. perpendicular to the sample surface, is measured relative to the reference point or reference plane.

그런 다음 측정 프로브가 도 1의(ii) 단계에서 샘플 표면에서 회수된다. 측정 프로브의 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접착력을 극복할 수 있도록, 측정 프로브의 캔틸레버에는 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접촉이 깨지기 전에 상당한 스트레스가 있다. 측정 팁과 샘플 표면 사이의 접촉은 도 3의 지점 D에서 분리된다. 측정 프로브의 캔틸레버에 저장된 에너지는 최대 진폭 E을 갖는 공진 주파수에서 측정 프로브의 진동을 통해 소산된다.The measurement probe is then retrieved from the sample surface in step (ii) of Figure 1. To overcome the adhesion between the measurement tip of the measurement probe and the sample surface, the cantilever of the measurement probe has considerable stress before the contact between the measurement tip and the sample surface is broken. The contact between the measurement tip and the sample surface is separated at point D in Fig. The energy stored in the cantilever of the measurement probe is dissipated through the vibration of the measurement probe at the resonance frequency with the maximum amplitude E.

단계(iii)에서, 측정 프로브는 샘플 표면으로부터 회수된 상태에서 소정 거리만큼 측 방향으로 변위된다. 새로운 하강 단계(i)는 샘플 표면의 측정 프로브의 측정 팁을 들어 올려 유도된 진동이 감쇠하자마자 시작될 수 있다.In step (iii), the measurement probe is laterally displaced by a predetermined distance in a state of being recovered from the sample surface. The new descent phase (i) can be started as soon as the induced vibration is attenuated by lifting the measurement tip of the measurement probe on the sample surface.

상부 부분 이미지에서, 도 2는 샘플 표면으로부터 측정 프로브의 하강 및 회수 및 샘플 표면으로부터 측정 프로브를 분리함으로써 야기되는 측정 프로브의 캔틸레버의 진동을 다시 한번 보여준다. 측정 프로브를 하강하고 회수하는 것은 측정 프로브의 z-액추에이터에 적용된 제어 신호에 대한 반응으로 발생하며, 상기 제어 신호는 도 2에서 측정 프로브의 측정 팁의 편향 신호의 곡선 아래에 도시된다. 도 2의 하부 부분 이미지는 좌측에는 샘플 표면의 장거리 인력의 거리 범위를, 중앙에는 측정 프로브의 측정 팁이 샘플 표면과 접촉한 상태를, 우측에는 샘플 팁이 샘플 표면에서 분리되는 순간을 나타낸다.In the upper partial image, Figure 2 again shows the oscillation of the cantilever of the measurement probe caused by the descent and recovery of the measurement probe from the sample surface and separation of the measurement probe from the sample surface. The lowering and withdrawing of the measurement probe occurs in response to a control signal applied to the z-actuator of the measurement probe, which is shown below the curve of the deflection signal of the measurement tip of the measurement probe in Fig. 2 shows the distance range of the long-range attractive force of the sample surface on the left side, the state where the measurement tip of the measurement probe is in contact with the sample surface at the center, and the moment when the sample tip is separated from the sample surface on the right side.

샘플 서비스에서 측정 팁을 들어 올려 측정 프로브의 캔틸레버가 진동하는 것은 여러 요인에 따라 달라진다. 측정 팁의 형태와 재질, 샘플의 재료 구성과 표면 상태가 영향을 미친다. 측정 프로브의 스프링 상수는 여기 공진의 최대 진폭 크기 및 감쇠 거동에 매우 중요하다. 마지막으로, 측정 프로브가 작동하는 주변 환경은 측정 프로브의 이완 발진의 감쇠 특성에 결정적으로 중요하다.Vibrating the cantilever of the measuring probe by lifting the measuring tip in the sample service depends on several factors. The shape and material of the measurement tip, the material composition of the sample, and the surface state are affected. The spring constant of the measurement probe is very important for the maximum amplitude magnitude and damping behavior of the excitation resonance. Finally, the environment in which the measurement probe operates is critically important to the attenuation characteristics of the relaxation oscillation of the measurement probe.

도 4는 측정 프로브(400)를 통한 단면을 개략적으로 도시한다. 측정 프로브(400)는 종래 기술에서와 같이 아래의 캔틸레버(410)로 지칭되는 벤딩 바(410)를 포함한다. 도 4에 예시된 예에서, 캔틸레버(410)는, 예를 들어, 실리콘과 같은 반도체 재료로 제조될 수 있는 제1 층(420)을 포함한다. 또한, 캔틸레버(410)는 예를 들어 금속을 포함할 수 있는 제2 층(430)을 갖는다. 2층 캔틸레버(410)에 대한 재료는 바람직하게는 강성 또는 탄성, 열팽창 및/또는 이들의 생산성에 따라 선택된다.4 schematically shows a cross section through the measurement probe 400. Fig. The measurement probe 400 includes a bending bar 410, referred to below as the cantilever 410, as in the prior art. In the example illustrated in FIG. 4, the cantilever 410 includes a first layer 420, which may be made of a semiconductor material, such as, for example, silicon. The cantilever 410 also has a second layer 430, which may include, for example, a metal. The material for the two-layer cantilevers 410 is preferably selected according to their rigidity or elasticity, thermal expansion and / or their productivity.

도 4의 예에서, 캔틸레버(410)는 바이모프 액추에이터(440)의 기능을 만족시킨다. 바이모프 액추에이터(440)를 활성화시킴으로써, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 먼저 소정의 주파수 및 진폭에서 다음으로 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 발진하도록 여기된다. 따라서, 바이모프 액추에이터(440)는 제1 액추에이터(480)의 기능을 만족시킨다. 또한, 바이모프 액추에이터(440)는 적절한 여기를 이용하여 하향, 즉 측정 팁(460)의 방향으로 굽혀질 수 있다. 따라서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 바이모프 액추에이터(440)는 제2 액추에이터(490)의 기능을 수행 할 수있다.In the example of FIG. 4, the cantilever 410 satisfies the function of the bimorph actuator 440. By activating the bimorph actuator 440, the cantilever 410 of the measurement probe 400 is first excited to oscillate at the natural frequency of the measurement probe 400, then at a predetermined frequency and amplitude. Thus, the bimorph actuator 440 satisfies the function of the first actuator 480. Further, the bimorph actuator 440 can be bent downward, i.e., in the direction of the measuring tip 460, using suitable excitation. Therefore, the bimorph actuator 440 of the cantilever 410 of the measurement probe 400 can perform the function of the second actuator 490.

캔틸레버(410)의 자유 단부(450)에는 측정 팁(460)이 부착된다. 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)은 샘플 표면과 상호 작용한다. 캔틸레버(410)의 반대측 단부 또는 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분(foot)은 홀딩 장치(470)에 연결된다. 예를 들어 홀딩 플레이트의 형태로 구현되는 홀딩 장치(470)는 클램프(도 4에 도시되지 않음)에 의해 측정 프로브(400)를 주사 탐침 현미경에 부착시키는 역할을 한다.A measurement tip 460 is attached to the free end 450 of the cantilever 410. The measurement tip 460 of the measurement probe 400 interacts with the sample surface. The opposite end of the cantilever 410 or the bottom of the cantilever 410 is connected to a holding device 470. A holding device 470, for example implemented in the form of a holding plate, serves to attach the measuring probe 400 to the scanning probe microscope by means of a clamp (not shown in FIG. 4).

도 5는 주사 탐침 현미경의 일부 구성 요소를 개략적으로 도시하는데, 그 SPM 측정 헤드는 측정 프로브(400)를 SPM(500)에 통합시키는 역할을 하는 마운트(명확성을 위하여 도 5에서 숨겨짐)를 갖는다. 주사 탐침 현미경은 샘플(510)을 검사하기 위하여 사용되는 측정 변수에 따라 구별된다. 주사 터널링 현미경(STM)은 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 터널링 전류를 사용하며, 그 터널링 전류는 샘플(510)의 샘플 표면(515)의 토포그래피를 분석하기 위하여 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이에 전압이 인가됨에 따라 발생한다. AFM(Atomic force microscopes)은 샘플(510)에 의한 측정 팁(460)의 편향으로부터 샘플(510)의 표면 윤곽을 결정한다. AFM(Magnetic force microscopes)은 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 자력을 측정한다. SNOM(Scanning near-field optical microscopes)는 샘플(510)과 측정 팁(460) 사이의 상호 작용으로서 감쇄 전자기파를 이용한다. SNAM(Scanning near-field acoustic microscope)은 샘플(510)의 표면 토포그래피를 주사하기 위해 근거리 음향 상호 작용을 이용한다. 주사 탐침 현미경의 이러한 열거는 완전한건 아니다.Figure 5 schematically shows some components of a scanning probe microscope, which has a mount (hidden in Figure 5 for clarity) that serves to integrate the measurement probe 400 into the SPM 500 . The scanning probe microscope is distinguished according to the measurement variables used to inspect the sample 510. The scanning tunneling microscope (STM) uses a tunneling current between the sample 510 and the measurement tip 460 and the tunneling current flows through the sample 510 to analyze the topography of the sample surface 515 of the sample 510. [ And the measurement tip 460, as shown in FIG. Atomic force microscopes (AFM) determine the surface contour of the sample 510 from the deflection of the measurement tip 460 by the sample 510. Magnetic force microscopes (AFM) measure the magnetic force between the sample 510 and the measurement tip 460. Scanning near-field optical microscopes (SNOMs) use attenuation electromagnetic waves as interactions between the sample 510 and the measurement tip 460. The scanning near-field acoustic microscope (SNAM) uses near-field acoustic interaction to scan the surface topography of the sample 510. These enumeration of scanning probe microscopes is not complete.

본 출원에 개시된 바와 같이, 스텝인 주사 모드에서 주사 탐침 현미경(500)의 주사비(scan rate) 또는 주사 속도(speed)를 가속시키기 위한 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 고유 진동의 여기 원리가 캔틸레버(410), 즉 탄성적으로 유연한 레버 아암 또는 짧게는 스프링 빔을 갖는 모든 유형의 주사 탐침 현미경의 측정 프로브에 적용될 수 있다.The excitation principle of the natural oscillation of the cantilever 410 of the measurement probe 400 for accelerating the scan rate or scanning speed of the scanning probe microscope 500 in the step-in scanning mode, as disclosed in this application, Can be applied to a cantilever 410, that is, to an elastically flexible lever arm or to a measurement probe of any type of scanning probe microscope having a spring beam for short.

원자 현미경(AFM)(500)은 주사 탐침 현미경(500)의 일례로서 아래에 설명된다. 도 5에 도시된 원자력 현미경(500)은 주변 조건 또는 진공 챔버(도 5에 도시되지 않음)에서 작동될 수 있다. 분석될 샘플(510)은 샘플 스테이지(520) 상에 배치된다. 샘플 스테이지(520)는 위치 설정 장치(525)에 의해 3개의 공간 방향으로 위치될 수 있다. 위치 설정 장치(525)는 예를 들어 스핀들 액추에이터 및/또는 압전-액추에이터(도 5에 도시 없음)의 형태인 하나 이상의 마이크로-변위 요소를 포함한다.The atomic force microscope (AFM) 500 is described below as an example of the scanning probe microscope 500. The atomic force microscope 500 shown in Fig. 5 may be operated at ambient conditions or in a vacuum chamber (not shown in Fig. 5). A sample 510 to be analyzed is placed on the sample stage 520. The sample stage 520 can be positioned in three spatial directions by the positioning device 525. [ Positioning device 525 includes one or more micro-displacement elements in the form of, for example, a spindle actuator and / or a piezoelectric-actuator (not shown in FIG. 5).

측정 프로브(400)는 원자력 현미경(AFM)(500)의 AFM 측정 헤드 내의 고정 장치(도 4에 도시되지 않음) 상의 장착부에 의해 고정된다. 측정 프로브(400)의 고정 장치(470)는 압전 액추에이터(도 5에 도시되지 않음)를 통해 AFM(500)의 측정 헤드에 연결된다. 측정 프로브(400)를 AFM 측정 헤드에 연결하는 압전 액추에이터는 주사 장치의 기능을 수행할 수 있다. 대안적으로, 또는 부가적으로, 또 다른 실시예에서, 홀딩 장치(470)를 AFM 측정 헤드에 연결하는 압전 액추에이터와 위치 설정 장치 사이에서의 샘플 표면(515)과 측정 프로브(400)의 측정 팁(460) 사이의 상대적인 움직임을 분할하는 것이 가능하다. 예를 들어, 위치 설정 장치(525)는 샘플 평면(xy-평면)에서 샘플(510)의 이동을 수행하고, 전술한 압전 액추에이터는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 샘플에 대한 법선의 방향(z-방향)의 이동을 구현한다. The measurement probe 400 is fixed by a mounting portion on a fixing device (not shown in Fig. 4) in the AFM measuring head of the atomic force microscope (AFM) 500. The fixing device 470 of the measurement probe 400 is connected to the measuring head of the AFM 500 through a piezoelectric actuator (not shown in Fig. 5). The piezoelectric actuator connecting the measurement probe 400 to the AFM measurement head can perform the function of a scanning device. Alternatively, or in addition, in another embodiment, the sample surface 515 between the piezoelectric actuator connecting the holding device 470 to the AFM measurement head and the positioning device, and the measurement tips of the measurement probe 400 It is possible to divide the relative motion between the reference points 460. For example, the positioning device 525 performs the movement of the sample 510 in the sample plane (xy-plane), and the piezoelectric actuator described above has a normal to the sample of the measurement tip 460 of the measurement probe 400 Direction (z-direction).

그러나, 바람직하게는, 샘플 스테이지(520)는 고정식으로 구현되고, 측정 팁(460)은 마이크로-변위 요소(도 5에 미도시)에 의해 샘플(510)의 분석될 영역으로 가게 된다.Preferably, however, the sample stage 520 is implemented in a stationary manner and the measurement tip 460 is moved to the area to be analyzed of the sample 510 by a micro-displacement element (not shown in FIG. 5).

측정 프로브(400)는 복수의 동작 모드로 동작할 수 있다. 먼저, 측정 프로브(400)는 샘플(510)의 표면(515)에 걸쳐 일정한 높이로 주사될 수 있다. 대안으로, 측정 프로브(400)는 폐 제어 루프에서 일정한 힘으로 샘플 표면(515) 위로 가이드될 수 있다. 또한, 변조 방법의 도움으로, 캔틸레버(410)가 샘플 표면(515)에 대해 수직으로 진동하도록 하여, 이에 의해 폐 제어 루프에서 샘플(510)의 표면(515)을 주사하는 것이 가능하다.The measurement probe 400 can operate in a plurality of operation modes. First, the measurement probe 400 can be scanned at a constant height over the surface 515 of the sample 510. [ Alternatively, the measurement probe 400 may be guided over the sample surface 515 with a constant force in the closed control loop. It is also possible, with the aid of the modulation method, to cause the cantilever 410 to oscillate perpendicular to the sample surface 515, thereby scanning the surface 515 of the sample 510 in the closed control loop.

그러나, 측정 프로브(400)는 주사 모드 또는 스텝인 동작 모드에서 동작되는 것이 바람직하다. 이 동작 모드에서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 측정 프로브(400)의 고유 또는 공진 주파수에서 진동하도록 여기된다. 도 5에 도시된 예에서, 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)가 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 진동하도록 여기하기 위하여 제1 레이저 시스템(530)을 이용한다. 레이저 시스템(530)은 레이저 빔(532)에 의해 측정 프로브(400)의 바이모프 액추에이터(440) 상에 지향되는 시간 변화하는 출력을 생성하고, 이는 바이모프 액추에이터(440)의 제1 액추에이터(480)의 기능을 제어한다. 도 5에 도시된 예에서, 제1 레이저 시스템(530)은 전자기 스펙트럼의 적외선 범위 내의 광, 특히 800nm 영역의 광을 방출하는 레이저 다이오드를 포함한다. 가변 출력 전력 또는 레이저 시스템(530) 에서의 대응하는 레이저 펄스를 생성하는데 이용되는 회로 장치의 상세가 도 6 및 도 7과 관련된 논의에서 이하 설명된다.However, the measurement probe 400 is preferably operated in a scanning mode or a step-in operation mode. In this mode of operation, the cantilever 410 of the measurement probe 400 is excited to vibrate at the intrinsic or resonant frequency of the measurement probe 400. 5, the first laser system 530 is used to excite the cantilever 410 of the measurement probe 400 to vibrate at the natural frequency of the measurement probe 400. In the example shown in FIG. The laser system 530 produces a time varying output directed by the laser beam 532 onto the bimorph actuator 440 of the measurement probe 400 which is transmitted to the first actuator 480 of the bimorph actuator 440 ). In the example shown in FIG. 5, the first laser system 530 includes a laser diode that emits light in the infrared range of the electromagnetic spectrum, particularly light in the 800 nm region. The details of the circuit arrangement used to generate the variable output power or the corresponding laser pulses in the laser system 530 are described below in the discussion with reference to Figures 6 and 7. [

제2 레이저 시스템(570)은 샘플 표면(515)의 방향으로 캔틸레버(410)의 자유 단부(540)를 구부리기 위해 사용된다. 이를 위해, 제2 레이저 시스템(570)의 빔(572)은 제1 레이저 시스템(530)의 빔(532)과 통합되어 도 5의 예에서 결합 요소(535)의 도움으로 두 레이저 시스템(530 및 570)의 공통 빔(537)을 형성한다. 결합 요소(535)는 편광 빔 스플리터 큐브를 포함할 수 있다. 결합된 빔(537)은 바람직하게는 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분으로 향하게 된다. 제2 레이저 시스템(570)은 시간에 대해 일정하거나 시간에 따라 천천히 변화하는 광 빔(532)을 방출한다. 도 5의 예에서, 제2 레이저 시스템(570)은 마찬가지로 적외선 파장 범위에서 방출하는 레이저 다이오드를 포함한다. 따라서, 제2 레이저 시스템(570)은 바이모프 액추에이터(440)의 제2 액추에이터(490)의 기능을 제어한다. 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 동일한 방출 파장을 가질 수 있거나 또는 상이한 파장을 갖는 광을 생성할 수 있다. 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 간략화를 위해 도 5에 숨겨진 공통 광학 유닛에 의해 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410) 상에 포커싱될 수 있다. 또한, 양 레이저 시스템(530 및 570)이 각각 전용 광학 유닛을 가지며, 캔틸레버(410)의 상이한 지점에 각각 포커스될 수 있다.The second laser system 570 is used to bend the free end 540 of the cantilever 410 in the direction of the sample surface 515. To this end, the beam 572 of the second laser system 570 is integrated with the beam 532 of the first laser system 530 so that the two laser systems 530 and 530, with the aid of the coupling element 535 in the example of FIG. 5, 570). ≪ / RTI > The coupling element 535 may comprise a polarization beam splitter cube. The combined beam 537 is preferably directed to the bottom of the cantilever 410 of the measurement probe 400. The second laser system 570 emits a light beam 532 that varies constant over time or slowly over time. In the example of FIG. 5, the second laser system 570 includes a laser diode that also emits in the infrared wavelength range. Thus, the second laser system 570 controls the function of the second actuator 490 of the bimorph actuator 440. The first laser system 530 and the second laser system 570 may have the same emission wavelength or may produce light having different wavelengths. The first laser system 530 and the second laser system 570 may be focused on the cantilever 410 of the measurement probe 400 by a common optical unit hidden in Fig. 5 for simplicity. In addition, both laser systems 530 and 570 each have a dedicated optical unit and can be focused on different points of the cantilever 410, respectively.

또한, 두 가지 기능(도 5에 도시되지 않음)을 수행하기 위해 단일 레이저 시스템을 사용할 수도 있다. 이 경우, 단일 레이저 시스템의 레이저 빔은 바이모프 액추에이터(440)에 시간상의 에너지를 공급하여, 바이모프 액추에이터(440)가 제1 액추에이터(480)로서, 캔틸레버(410)를 여기시켜 고유 진동수로 진동시키고, 제2 액추에이터(490)로서, 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)를 샘플 표면(515)의 방향으로 한정된 방식으로 굴곡시킨다. 이 구성은 우선, 주사 탐침 현미경(500) 및 제어 장치(550)의 복잡성을 감소시키고, 둘째로, 이는 단지 하나의 광선(537)으로 작업하는 것을 용이하게 하여, SPM(500)의 조정을 단순화시키므로, 유리하다.A single laser system may also be used to perform two functions (not shown in FIG. 5). In this case, the laser beam of the single laser system supplies the temporal energy to the bimorph actuator 440 so that the bimorph actuator 440 excites the cantilever 410 as the first actuator 480, And as the second actuator 490, the free end 450 of the cantilever 410 is bent in a limited manner in the direction of the sample surface 515. This configuration firstly reduces the complexity of the scanning probe microscope 500 and the control device 550 and secondly it facilitates working with only one light beam 537 to simplify the adjustment of the SPM 500 .

레이저 시스템(530 및 570)에는 특별한 요구 사항이 없다. 그 파장은 원하는대로 선택될 수 있다. 그러나, 전자기 스펙트럼의 가시 범위 내의 파장은 레이저 빔(535 또는 575)의 조정을 용이하게 한다. 그러나, 바이 모프 액추에이터(440)에서 흡수된 방사선의 일부분은 캔티레버(410)의 재료와 레이저 시스템 또는 시스템(530 및 570)을 서로 매치시키기 위해 가능한 한 크다. 바이모프 액추에이터(440) 또는 캔틸레버(410)를 가열하기 위해서는 수 mW의 출력 전력으로 충분하다. 캔틸레버(410)를 가열하고 측정 프로브(400)의 고유 진동을 여기시키기 위해서는 10 ㎛ 미만의 초점 스폿(focal spot)에 초점을 맞추는 것이 필요하다. 특히, 레이저 방사선(537)이 캔틸레버(410)를 지나서 샘플(510)에 거의 도달하지 않도록 하기 위해, 초점 스폿은 캔틸레버(410)의 폭보다 작아야한다. 측정 프로브(400)의 공진 주파수는 수 kHz 내지 수 MHz 범위의 주파수 내에 있다. 이러한 요구 사항은 최신 레이저 시스템(530)에는 아무런 문제가 되지 않는다.Laser systems 530 and 570 have no special requirements. The wavelength can be selected as desired. However, the wavelengths within the visible range of the electromagnetic spectrum facilitate adjustment of the laser beam 535 or 575. However, a portion of the radiation absorbed in the bimorph actuator 440 is as large as possible to match the material of the cantilever 410 and the laser system or systems 530 and 570 to each other. An output power of several mW is sufficient to heat the bimorph actuator 440 or the cantilever 410. In order to heat the cantilever 410 and excite the natural vibration of the measurement probe 400, it is necessary to focus on a focal spot of less than 10 mu m. In particular, the focus spot must be smaller than the width of the cantilever 410, so that the laser radiation 537 does not reach the sample 510 past the cantilever 410. The resonance frequency of the measurement probe 400 is in the range of several kHz to several MHz. This requirement is not a problem for the state of the art laser system 530.

측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플(510)의 표면(515)의 상호 작용의 결과로서의 측정 팁(460)의 편향 또는 그 변화는 광 포인터 시스템을 사용하여 검출될 수 있다. 필수적인 구성 요소들로서, 광 포인터 시스템은 제3 레이저 시스템(540) 및 검출기(545)를 포함한다. 제3 레이저 시스템(540)은 검출 유닛(585)을 통해 방사하고 레이저 빔(542)을 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)로 향하게 한다. 캔틸레버(410)로부터 반사된 레이저 빔(547)은 검출기(545)에 의해 픽업된다. 도 5에 도시된 예에서, 제3 레이저 시스템(540)은 전자기 스펙트럼의 가시 범위의 광, 특히 녹색광을 방출하는 고체 상태 레이저를 포함한다. 제3 레이저 시스템(540)은 연결부(541)를 통해 제어 장치(550)에 의해 제어된다. 광 포인터 시스템의 검출기(545)는 종종 4개의 쿼드런트 포토다이오드의 형태로 구현된다. 2개의 세그먼트 포토 다이오드(도 5 및 도 6에 도시되지 않음)를 사용할 수도 있다. 검출기(545)는 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서 캔틸레버(410)의 진동 및 샘플 표면(515)에 측정 팁(460)을 낮추기 위한 제2 액추에이터(490)에 의한 캔틸레버(410)의 자유 단부(440)의 조정 가능한 굽힘 모두를 검출할 수 있다.The deflection or change in the measurement tip 460 as a result of the interaction of the measurement tip 460 of the measurement probe 400 with the surface 515 of the sample 510 may be detected using an optical pointer system. As an essential component, the optical pointer system includes a third laser system 540 and a detector 545. The third laser system 540 emits through the detection unit 585 and directs the laser beam 542 to the free end 450 of the cantilever 410. The laser beam 547 reflected from the cantilever 410 is picked up by the detector 545. In the example shown in FIG. 5, the third laser system 540 includes a solid-state laser that emits light in the visible range of the electromagnetic spectrum, particularly green light. The third laser system 540 is controlled by the control device 550 through a connection 541. The detector 545 of the optical pointer system is often implemented in the form of four quadrant photodiodes. Two segment photodiodes (not shown in Figures 5 and 6) may be used. The detector 545 detects the vibration of the cantilever 410 at the natural frequency of the measurement probe 400 and the free end of the cantilever 410 by the second actuator 490 for lowering the measurement tip 460 to the sample surface 515. [ All of the adjustable bends of the first portion 440 can be detected.

검출 유닛(585)은 도 5의 주사 탐침 현미경(500)에 설치된다. 예로서, 검출 유닛(585)은 예를 들어 레이저 간섭계 및/또는 포토 다이오드와 같은 광학 간섭계를 포함할 수 있다. 도 5에 도시된 예에서, 검출 유닛(585)은 간섭계를 포함하며, 그의 광원은 제3 레이저 시스템(540)에 의해 형성된다. 도 5에 도시된 예에서, 검출 유닛(585)은 측정 팁(460)이 샘플(510)의 표면(515)과 접촉하는 경우의 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치의 z- 위치를 측정하는데 이용된다. 이를 위하여, 간섭계(585)는 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과 접촉할 때 캔틸레버의 자유 단부(450)에 의해 반사된 제3 레이저 시스템(540)의 광빔(542)의 광을 분석한다. 또한, 특히 샘플 표면(515)에 수직인 z-방향에서의 측정 팁(460)의 움직임을확인하기 위하여, 검출 유닛(585)을 이용하는 것이 가능하다.The detection unit 585 is installed in the scanning probe microscope 500 of Fig. By way of example, detection unit 585 may include an optical interferometer, such as, for example, a laser interferometer and / or a photodiode. In the example shown in FIG. 5, the detection unit 585 includes an interferometer, and its light source is formed by a third laser system 540. 5, the detection unit 585 detects the vertical position of the measurement tip 460 of the measurement probe 400 when the measurement tip 460 makes contact with the surface 515 of the sample 510. In this case, - Used to measure position. The interferometer 585 analyzes the light of the light beam 542 of the third laser system 540 reflected by the free end 450 of the cantilever as the measurement tip 460 contacts the sample surface 515 do. It is also possible to use a detection unit 585, in particular to confirm the movement of the measurement tip 460 in the z-direction, in particular perpendicular to the sample surface 515.

또한, 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 편향은 캔틸레버(410)의 압전 저항 소자 또는 센서(도 5에 도시되지 않음)의 도움으로, 추가적으로 또는 대안적으로 검출될 수 있다. 또한, 압전 저항 소자(도 5에 도시 없음)의 측정 데이터와 광학 포인터 시스템 및/또는 검출 유닛(585)의 광학 신호의 조합으로부터 기준 포인트 또는 기준 평면과 샘플 표면(515)과 관련된 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 거리를 결정하는 것이 가능하다.The deflection of the free end 450 of the cantilever 410 may additionally or alternatively be detected with the aid of a piezoresistive element or sensor (not shown in FIG. 5) of the cantilever 410. 5) and the cantilever 410 associated with the reference point or reference plane and the sample surface 515 from the combination of the optical pointer system and / or the optical signal of the detection unit 585, It is possible to determine the distance of the free end 450 of the free end 450.

또한, 원자 현미경(500)은 제어 장치(550)를 포함한다. 제어 장치(550)는 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)을 포함한다.The atomic force microscope 500 also includes a control device 550. The control device 550 includes a scanning unit 555 and an excitation unit 560.

제어 장치(550), 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)은 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로서 구현될 수 있다.Control unit 550, scan unit 555 and excitation unit 560 may be implemented as hardware, software, firmware, or a combination thereof.

접속부(527 및 580)를 통해, 주사 유닛(555)은 측정 프로브(400)를 AFM 측정 헤드와 연결하는 위치 설정 유닛(525) 및/또는 압전-액추에이터의 이동의 개루프 및/또는 폐루프 제어를 제공한다. 또한, 제어 장치(550)의 주사 유닛(555)은 접속부(541)를 통해 제3 레이저 시스템(540)을 제어한다. 접속부(582)를 통해, 여기 유닛(560)은 측정 프로브(400)가 고유 진동으로 여기되는 여기 또는 여기 신호를 생성하는 자여 발진 회로 장치(590)를 제어한다. Via connections 527 and 580, the scanning unit 555 includes a positioning unit 525 for connecting the measuring probe 400 with the AFM measuring head and / or an open loop and / or closed loop control of movement of the piezoelectric- Lt; / RTI > In addition, the scanning unit 555 of the control device 550 controls the third laser system 540 via the connection part 541. [ Via the connection 582, the excitation unit 560 controls the self-oscillating circuit device 590 which generates the excitation or excitation signal by which the measuring probe 400 is excited with natural oscillation.

자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(548)를 통해 검출기(545)로부터 측정 데이터를 수신한다. 또한, 자여 발진 회로 장치(590)는 마찬가지로 연결부(587)를 통해 검출 유닛(585)으로부터 측정 데이터를 얻을 수 있다. 검출 유닛(585)은 그 측정 데이터를 접속부(586)를 통해 제어 장치(550)의 주사 유닛(555)에 공급한다. 자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(531)를 통해 제1 레이저 시스템(530)을 제어하고, 상기 제1 레이저 시스템은 다시 레이저 빔(532)에 의해 바이모프 액추에이터(440)의 제1 액추에이터(480)를 제어한다. 더욱이, 자여 발진 회로 장치(590)는 연결부(571)를 통해 제2 레이저 시스템(570)을 제어한다. 전술한 것처럼, 제2 레이저 시스템(570)의 레이저 빔(572)은 바이모프 액추에이터(440)의 제2 액추에이터(490)를 제어하고, 따라서 샘플 표면(510)의 방향으로의 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)의 굽힘을 제어한다. 이를 위해, 결합 레이저 빔(537)은 전술한 것처럼 캔틸레버(410)의 맨 아래 부분의 인근(즉, 홀딩 장치(470)가 부착되는 캔틸레버(410)의 단부)에 있는 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)로 향하게 된다.The self-oscillating circuit device 590 receives measurement data from the detector 545 via a connection 548. The self-oscillating circuit device 590 can also obtain measurement data from the detection unit 585 via the connection portion 587. [ The detection unit 585 supplies the measurement data to the scanning unit 555 of the control device 550 via the connection unit 586. [ The self oscillating circuit arrangement 590 controls the first laser system 530 via a connection 531 and the first laser system is again driven by the laser beam 532 to the first actuator of the bimorph actuator 440 480). Further, the self-oscillating circuit device 590 controls the second laser system 570 via the connection portion 571. [ The laser beam 572 of the second laser system 570 controls the second actuator 490 of the bimorph actuator 440 and thus the measurement probe 400 in the direction of the sample surface 510, The bending of the measurement tip 460 of the cantilever 410 of the cantilever 410 is controlled. To this end, the combined laser beam 537 is incident on the cantilever 410 of the measurement probe 400 in the vicinity of the bottom of the cantilever 410 (i.e., at the end of the cantilever 410 to which the holding device 470 is attached) (410).

대안적인 실시예에서, 바이모프 액추에이터(440)는 레이저 시스템(570) 대신에 하나 이상의 저항 소자를 사용하여 가열된다. 예를 들어, 제1 저항 소자는 제1 레이저 시스템(530) 대신에 사용될 수 있고, 제2 저항 소자는 제2 레이저 시스템(570)(도 5에 도시되지 않음) 대신에 사용될 수 있다. 다른 실시예에서, 측정 프로브(410)는 압전 소자(도 5에 도시되지 않음)의 도움으로 그것의 고유 주파수에서 진동하도록 여기된다. 전술한 실시예들의 혼합된 형태를 사용하는 것도 가능하다.In an alternative embodiment, bimorph actuator 440 is heated using one or more resistive elements instead of laser system 570. For example, a first resistive element may be used instead of the first laser system 530, and a second resistive element may be used instead of the second laser system 570 (not shown in FIG. 5). In another embodiment, the measurement probe 410 is excited to oscillate at its natural frequency with the aid of a piezoelectric element (not shown in FIG. 5). It is also possible to use a mixed form of the above-described embodiments.

측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용은 진동하도록 여기되어 있는 측정 프로브(400)의 진폭 변화에 의해 검출될 수 있다. 대안적으로, 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근할 때 고유 진동의 주파수의 변화로부터 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용을 확인할 수 있다.The interaction between the measurement tip 460 and the sample surface 515 can be detected by the amplitude variation of the measurement probe 400 being excited to vibrate. Alternatively, as the measurement tip 460 approaches the sample surface 515, the interaction between the measurement tip 460 and the sample surface 515 can be ascertained from a change in the frequency of the natural vibration.

도 6의 다이어그램(600)은 측정 프로브(400)의 고유 진동을 생성하기 위한 여기 또는 여기 신호를 생성하는데 사용될 수 있는, 도 5의 자여 발진 회로 장치(590)의 필수 구성 요소를 도시한다. 도 6에 도시된 바와 같이, 제1 레이저 시스템(530) 및 제2 레이저 시스템(570)은 레이저 시스템(630)에서 결합된다. 자여 발진 회로 장치(590)의 제어 유닛(610)은 SPM(500)(도 6에 도시 없음)의 제어 장치(550)의 여기 유닛(560)에 연결된다. 자여 발진 회로 장치(590)는 증폭기(620), 주사 홀드 회로 장치(640) 및 제어 유닛(610)의 형태의 자동 이득 폐루프 제어(670)를 갖는다. 또한, 자여 발진 회로 장치(590)는 스위치(660)를 포함하며, 이에 의해 제어 유닛(610)은 주사 홀드 회로 장치(640)의 주사 모드와 홀드 모드 사이에서 스위칭할 수 있다. 위상 시프터(630)는 레이저 시스템(630)에 대해 제공되는 여기의 또는 레이저 시스템(630)에 대해 제공되는 제어 신호의 위상 각도를 측정 프로브(400)의 고유 진동의 위상에 적응시킨다. 또한, 자동 이득 폐루프 제어(670)는 위상 쉬프터(630)의 및 주사 홀드(640)의 신호를 결합하는 결합 유닛(650)을 갖는다. 예를 들어, 결합 유닛(650)은 위상 시프터(630)의 신호와 주사 홀드 회로 장치(640)의 신호를 곱하는 승산 유닛을 가질 수 있다(도 6에 도시 없음). 또한, 결합 유닛(650)은 위상 쉬프터(630)와 주사 홀드 회로 장치(640)의 승산된 신호를 제어부(610)의 신호에 가산하는 합산 유닛(도 6에서는 미도시)을 포함할 수 있다.Diagram 600 of FIG. 6 illustrates the essential components of self-oscillating circuit device 590 of FIG. 5, which may be used to generate an excitation or excitation signal to produce a natural oscillation of measurement probe 400. As shown in FIG. 6, the first laser system 530 and the second laser system 570 are coupled in a laser system 630. The control unit 610 of the self-oscillating circuit device 590 is connected to the excitation unit 560 of the control device 550 of the SPM 500 (not shown in Fig. 6). The self-oscillating circuit device 590 has an automatic gain closed loop control 670 in the form of an amplifier 620, a scan hold circuit device 640 and a control unit 610. In addition, the self-oscillating circuit device 590 includes a switch 660, whereby the control unit 610 can switch between the scan mode and the hold mode of the scan-hold circuit device 640. The phase shifter 630 adapts the phase angle of the control signal provided to or to the laser system 630 provided for the laser system 630 to the phase of the natural vibration of the measurement probe 400. The automatic gain closed loop control 670 also has a combining unit 650 that combines the signals of the phase shifter 630 and the scan hold 640. For example, the combining unit 650 may have a multiplication unit that multiplies the signal of the phase shifter 630 by the signal of the scan hold circuit device 640 (not shown in FIG. 6). The combining unit 650 may also include a summation unit (not shown in FIG. 6) for adding the multiplied signal of the phase shifter 630 and the scan-hold circuit arrangement 640 to the signal of the control unit 610.

또한, 제어 유닛(610)은 전압 램프(voltage ramp)를 생성하기 위한 생성기 부분을 포함한다. 생성기 부분은 레이저 시스템(630)에 대한 여기 신호(675)의 일부인 전압 신호를 생성한다. 제어 유닛(610)의 생성기 부분의 전압 램프는 레이저 시스템(630)을 통해 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 제어하고 및 이에 따라 샘플 표면(515)으로부터의 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)까지의 거리를 제어한다.The control unit 610 also includes a generator portion for generating a voltage ramp. The generator portion produces a voltage signal that is part of the excitation signal 675 for the laser system 630. [ The voltage ramp of the generator portion of the control unit 610 controls the second actuator 490 of the cantilever 410 via the laser system 630 and thus the measurement of the measurement probe 400 from the sample surface 515 And controls the distance to tip 460.

자여 발진 회로 장치(590)가 증폭된 측정 신호(625)와 동상인 검출기(545)의 측정 신호(615)의 부분을 곱함으로써, 결합 유닛(650)은 측정 프로브(400)의 고유 진동에 대한 포지티브 피드백을 갖는 여기(675) 또는 여기 신호(675)를 생성한다. 측정 프로브(400)의 고유 진동의 이상적 여기(675)를 목적으로, 여기(675)는 측정 프로브(400)의 자연 진동의 위상에 대해 90 °의 위상차를 갖는다. 여기 신호(675)의 위상은 측정 프로브의 고유 진동의 위상보다 π/2만큼 선행한다. 측정 프로브의 고유 진동의 위상 폐루프 제어의 작동 범위를 크게 제한하지 않고 ± 30 °의 범위 내에서 가능한 최적의 π/2 위상차로부터의 편차가 허용된다.By combining the amplified measurement signal 625 and the portion of the measurement signal 615 of the detector 545 that is in phase with the self oscillating circuit arrangement 590, And generates excitation 675 or excitation signal 675 with positive feedback. For the purpose of ideal excitation 675 of the natural vibration of the measurement probe 400, the excitation 675 has a phase difference of 90 ° with respect to the phase of the natural vibration of the measurement probe 400. The phase of the excitation signal 675 precedes the phase of the natural oscillation of the measurement probe by? / 2. Deviations from the optimal π / 2 phase difference possible within a range of ± 30 ° are allowed without significantly limiting the operating range of the phase closed loop control of the natural frequency of the measuring probe.

자동 이득 폐루프 제어(670)는 여기 신호(675)의 진폭을 미리 결정된 값으로 조절한다. 즉, 여기의 이득은 진동 주기 동안의 측정 프로브(400)의 고유 진동의 손실이 보상되도록 설정된다. 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근하는 동안, 제어 유닛(610)은 스위치(660)를 작동시켜 주사 홀드 회로 장치(640)를 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 조정되는 주사 모드로부터 고유 진동의 진폭이 더 이상 조정되지 않으나 대신 고정된 여기 신호(675)에 의해 여기되는 홀드 모드로 스위칭한다. 진폭을 고정된 여기로 조절하는 것에서의 전환은 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 상호 작용 동안 및 측정 프로브(400)의 고유 진동의 소정 진동 진폭을 유지하기 위하여 시도하는 폐루프 제어로 인한 측정 팁과 샘플 표면(515) 사이의 접촉시에 민감한 샘플 또는 측정 프로브(400)를 손상시키는 것을 방지한다.The automatic gain closed loop control 670 adjusts the amplitude of the excitation signal 675 to a predetermined value. That is, the gain here is set to compensate for the loss of natural vibration of the measurement probe 400 during the oscillation period. While the measurement tip 460 of the cantilever 410 is approaching the sample surface 515, the control unit 610 operates the switch 660 to move the scan hold circuit device 640 to the natural oscillation of the measurement probe 400 The amplitude of the natural oscillation is no longer adjusted but switches to the hold mode excited by the fixed excitation signal 675 from the scanning mode in which the amplitude of the natural oscillation is adjusted. The conversion to adjusting the amplitude to a fixed excitation is accomplished by the amplitude closed loop control of the natural oscillation during the interaction between the measurement tip 460 and the sample surface 515 and the predetermined oscillation amplitude of the natural oscillation of the measurement probe 400 Thereby preventing damage to the sensitive sample or measuring probe 400 upon contact between the sample tip 515 and the measurement tip due to the closed loop control attempting to maintain it.

측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉이 검출된 후에, 제어 유닛(610)은 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프한다. 도 6에 도시된 결합된 레이저 시스템(630)에서, 레이저 시스템(630)이 그 출력 전력의 직접 광 성분(도 6에 도시되지 않음)으로 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 계속 활성화시키는 동안 제1 액추에이터(480)의 정현파 여기는 중단된다. 제어 유닛(610)은 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 소정의 임계값 이하로 감소하는 것으로부터 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 결정한다. 이를 위해, 제어 유닛(610)은 검출기(545)로부터의 신호를 연속적으로 평가한다. 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 검출 직후에 주사 유닛(555)은 검출 유닛(585)의 측정 데이터로부터 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치를 확인한다. 그 결과로, 자여 발진 회로 장치(590)의 제어 유닛(610)은 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프한다. 레이저 시스템(630)은 도 6에 도시된 예에서 스위치 오프된다.After the contact between the measurement tip 460 of the measurement probe 400 and the sample surface 515 is detected, the control unit 610 switches off the first laser system 530. In the combined laser system 630 shown in FIG. 6, the laser system 630 continues to activate the second actuator 490 of the cantilever 410 with a direct light component of its output power (not shown in FIG. 6) The sinusoidal excitation of the first actuator 480 is interrupted. The control unit 610 determines the contact between the measurement tip 460 and the sample surface 515 from the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400 being reduced below a predetermined threshold value. To this end, the control unit 610 continuously evaluates the signal from the detector 545. Immediately after detection of contact between the measuring tip 460 of the measuring probe 400 and the sample surface 515 the scanning unit 555 detects the measuring tip 460 of the measuring probe 400 from the measuring data of the detecting unit 585, The vertical position of the light beam is confirmed. As a result, the control unit 610 of the self-oscillating circuit device 590 switches off the second laser system 570. The laser system 630 is switched off in the example shown in FIG.

측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과의 접촉을 잃었음을 보장하는 미리 결정된 기간을 기다린 후에, 제어 유닛(610)은 제1 레이저 시스템(530)을 다시 스위치 온하거나 또는 여기 신호(675)로 레이저 시스템(630)을 작동시킨다. 주사 홀드 회로 장치(640)는 스위치(660)를 작동시킴으로써 홀드 모드에서 주사 모드로 병렬로 스위칭된다. 결과적으로, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 재활성화된다. 동시에, 여기 신호(675)와 측정 프로브(400)의 고유 진동 사이의 위상 제어 루프는 제1 레이저 시스템(530)의 스위칭에 의해 다시 닫혀진다.After waiting a predetermined period of time to ensure that the measurement tip 460 has lost contact with the sample surface 515, the control unit 610 may either switch on the first laser system 530 again, The laser system 630 is activated. The scan hold circuit device 640 is switched in parallel from the hold mode to the scan mode by operating the switch 660. [ As a result, the amplitude closed loop control of the natural oscillation of the measurement probe 400 is reactivated. At the same time, the phase control loop between the excitation signal 675 and the natural oscillation of the measurement probe 400 is closed again by the switching of the first laser system 530.

레이저 시스템(630)이 여기 신호(675)에 의해 활성화될 때 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온 되는 경우, 다시 스위칭 온되는 시간은 측정 팁(460)을 샘플 표면(515)에서 들어올림에 의해 개시되는 여기 신호(675)와 측정 프로브(400)의 고유 진동 사이의 위상차가 가능한 최적 정도로 서로 맞춰지는 방식으로 선택된다.The time to switch on again when the first laser system 530 is switched on again when the laser system 630 is activated by the excitation signal 675 causes the measurement tip 460 to be lifted off the sample surface 515 Is selected in such a way that the phase difference between the excitation signal 675 initiated by the measurement probe 400 and the natural oscillation of the measurement probe 400 is matched as optimally as possible.

이 시간을 결정하는 데는 여러 가지 옵션이 있다. 먼저, 제2 레이저 시스템(570)의 스위치 오프 시간과 제1 레이저 시스템(530)을 다시 스위칭 온하는 시간 간격(또는 레이저 시스템(630)을 스위치 오프하고 여기 신호(675)에 의해 활성화시키는 것 사이)에서 고정된 시간 간격이 대기된다. 다양한 스텝인 측정 사이클에서의 타이밍이 매우 유사하기 때문에, 스위치 온이 다시 수행되는 시간은 경험적으로 확인될 수 있다.There are several options for determining this time. First, the switch off time of the second laser system 570 and the time interval between switching on the first laser system 530 again (or between turning on the laser system 630 and activating it by the excitation signal 675) A fixed time interval is waited for. Since the timing in the various steps of the measurement cycle is very similar, the time at which the switch-on is performed again can be empirically confirmed.

두번째로, 스텝인 사이클 1회 동안 측정 팁(460)의 편향의 전체 곡선을 측정 할 수 있으며, 도 3의 포인트 D 또는 E가 확인된다. 그 결과, 지점 B(제1 레이저 시스템(530)을 스위치 OFF)와 D(샘플 표면(515)으로부터 들어 올려지는 측정 팁(460)) 사이의 시간 간격이 공지된다. 예로서, 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온되기 전에 측정 프로브(400)의 이완 발진의 하나 이상의 주기를 기다리는 것이 여전히 가능하다. 또한, 샘플 표면으로부터 측정 팁(460)을 들어올림에 의해 개시되는 측정 프로브(400)의 이완 발진만을 측정하고, 이들 측정 데이터로부터 제1 레이저 시스템(530) 또는 제1 레이저 시스템(630)에 대한 스위치 온 시간을 계산할 수있다.Second, the entire curve of the deflection of the measurement tip 460 can be measured during one step-in-cycle, and point D or E in FIG. 3 is identified. As a result, the time interval between point B (switch off first laser system 530) and D (measurement tip 460 lifted from sample surface 515) is known. As an example, it is still possible to wait for one or more cycles of the relaxation oscillation of the measurement probe 400 before the first laser system 530 is switched on again. It is also possible to measure only the relaxation oscillations of the measurement probe 400 initiated by lifting the measurement tip 460 from the sample surface and to measure the relaxation oscillations of the first laser system 530 or the first laser system 630 The switch-on time can be calculated.

추가의 대안에서, 제1 레이저 시스템(530)은 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉 동안 스위치 오프될 필요는 없다. 그러나, 측정 프로브(400)의 강성 또는 스프링 상수에 의존하여, 이 절차는 자여 발진 회로 장치(590)의 전자 장치를 과도하게 구동할 위험이 있다.In a further alternative, the first laser system 530 need not be switched off during contact between the measurement tip 460 and the sample surface 515. However, depending on the stiffness or the spring constant of the measurement probe 400, this procedure risks over driving the electronic device of the self-oscillating circuit device 590.

자여 발진 회로 장치(590)는 아날로그 또는 디지털 형태로 구현될 수 있다. 또한, 자체 발진 회로 장치(590)는 하드웨어, 소프트웨어, 펌웨어 또는 이들의 조합으로 구현될 수 있다.The self-oscillating circuit device 590 may be implemented in analog or digital form. In addition, the self oscillating circuit device 590 may be implemented in hardware, software, firmware, or a combination thereof.

도 7의 다이어그램(700)은 FPGA(field programmable gate array) 형태의 디지털 회로 장치로서 구현된 자여 발진 회로 장치(790)의 예시적인 실시예를 도시한다. 아날로그-디지털 변환기(ADC)(710)는 검출기(545)로부터 아날로그 형태의 측정 신호(615)를 수신하여 디지털 신호(715)로 변환한다. 디지털 신호(715)는 자여 발진 회로 장치(790)의 FIR(finite impulse response) 필터(720)에 공급된다. 필터(720)는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 샘플 표면(515) 상으로 하강시킴으로써 생기고 샘플 표면(515)의 고유 진동 상에 중첩되는 측정 신호(615)의 느린 램프 성분을 제거한다. 필터링된 디지털 데이터는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭의 유효 값을 결정하는 제2 RMS(root mean square) 필터(725)에 공급된다. 필터(725)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 복수개의 주기들에 걸쳐 평균화한다. RMS 필터(725)의 출력은 PID(비례 적분 미분) 제어기(730)에 공급된다. 제어기(730)는 진폭 폐루프 제어에 대한 피드백 요소를 나타낸다. 스위치(732)의 도움으로, 진폭 폐루프 제어가 비활성인 기간 동안 클락 발생기(760)의 클락 신호는 PID 제어기(730)에 인가되지 않는다. PID 제어기(730)의 출력 신호(735)는 디지털 여기 신호(785)의 진폭 성분(A)을 포함하고, 주사 홀드 회로 장치(S&H; 740)의 입력에 인가된다.Diagram 700 of FIG. 7 illustrates an exemplary embodiment of a self-oscillating circuit device 790 implemented as a digital circuit device in the form of a field programmable gate array (FPGA). An analog-to-digital converter (ADC) 710 receives the analog measurement signal 615 from the detector 545 and converts it into a digital signal 715. The digital signal 715 is supplied to the finite impulse response (FIR) filter 720 of the self-oscillating circuit device 790. The filter 720 removes the slow ramp component of the measurement signal 615 caused by lowering the measurement tip 460 of the measurement probe 400 onto the sample surface 515 and overlying the natural vibration of the sample surface 515 do. The filtered digital data is supplied to a second root mean square (RMS) filter 725 which determines the effective value of the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400. The filter 725 averages over a plurality of periods of natural vibration of the measurement probe 400. The output of the RMS filter 725 is fed to a proportional integral derivative (PID) controller 730. Controller 730 represents a feedback element for amplitude closed loop control. With the help of the switch 732, the clock signal of the clock generator 760 is not applied to the PID controller 730 during the period when the amplitude closed loop control is inactive. The output signal 735 of the PID controller 730 contains the amplitude component A of the digital excitation signal 785 and is applied to the input of the scan hold circuit arrangement S &

RMS 필터(725)의 출력 신호의 제2 부분은 비교기 CMP(745)의 입력에 인가된다. 비교기(745)는 이 신호를 제2 입력에 인가되는 임계값(Thrs)와 비교한다. 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계치 아래로 떨어지면, 비교기(745)의 출력이 활성화된다. 즉, 상기 비교기는 함수 A <B를 실현한다. 비교기(745)는 그의 출력 신호를 지연 부재(DLY; 750)를 통해 FIFO(선입 선출) 메모리(775) 및 주사 홀드 회로 장치(740)에 그리고 두 번째로 램프 생성기(RAMP; 765)에 제공한다.The second portion of the output signal of the RMS filter 725 is applied to the input of the comparator CMP 745. The comparator 745 compares this signal to the threshold Thrs applied to the second input. When the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400 falls below a predetermined threshold, the output of the comparator 745 is activated. That is, the comparator realizes the function A < B. The comparator 745 provides its output signal to the FIFO (first-in first-out) memory 775 and the scan-hold circuit device 740 via the delay element DLY 750 and secondly to the ramp generator (RAMP) 765 .

예로서, 램프 발생기(765)는 카운터의 형태로 구현될 수 있다. 지연 부재(750)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어를 다시 취하기 전에 대기를 실현한다. 측정 팁(400)이 샘플 표면(515)에서 들어올려진 후, 필터(720 및 725)는 회복하는데 약간의 시간을 필요로 한다. 따라서, 지연 부재(750)는 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어의 스위치 온을 이완 발진의 몇 주기 만큼 지연시킨다. 도 7에 도시된 예에서, 고정된 대기는 1 비트 신호의 형태로 구현된다.By way of example, the ramp generator 765 may be implemented in the form of a counter. The delay member 750 realizes the wait before taking back the amplitude closed loop control of the natural oscillation of the measurement probe 400 again. After the measurement tip 400 is lifted off the sample surface 515, the filters 720 and 725 require some time to recover. Thus, the delay member 750 delays the switch-on of the amplitude closed loop control of the natural oscillation of the measurement probe 400 by several periods of the relaxation oscillation. In the example shown in Fig. 7, the fixed wait is implemented in the form of a 1-bit signal.

디지털화된 입력 신호(715)의 제2 부분은 자여 발진 회로 장치(790)의 FIFO 메모리(775)에 공급된다. 메모리(775)는 위상 시프터의 기능을 실현한다. FIFO 메모리(775)의 지연은 메모리 깊이(예를 들어, 10 메모리 셀)와 자여 발진 회로 장치(790)의 클록 주파수의 지수(quotient)에 의해 결정된다. FIFO 메모리(775)의 출력 신호(780)는 디지털 여기 신호(785)의 위상 성분(φ)을 나타내고, 상기 출력 신호는 승산 유닛(755)에 공급된다.The second portion of the digitized input signal 715 is supplied to the FIFO memory 775 of the self-oscillating circuit device 790. The memory 775 realizes the function of the phase shifter. The delay of the FIFO memory 775 is determined by the memory depth (e.g., 10 memory cells) and the quotient of the clock frequency of the self-oscillating circuit device 790. The output signal 780 of the FIFO memory 775 represents the phase component phi of the digital excitation signal 785 and the output signal is supplied to the multiplication unit 755. [

클록 발생기(CLK; 760)에 의해 생성된 클록 속도는 램프 생성기(765)에, FIFO 메모리(775)에 및 진폭 폐쇄 제어가 활성화되는 기간 동안 PID 제어기(730)에 제공된다. 캔틸레버(410)의 고유 진동의 진동 진폭의 설정값은 신호 Sp(설정)의 도움으로 PID 제어기(730)에서 설정된다.The clock rate generated by the clock generator (CLK) 760 is provided to the ramp generator 765, to the FIFO memory 775, and to the PID controller 730 during which amplitude closure control is active. The set value of the vibration amplitude of the natural vibration of the cantilever 410 is set in the PID controller 730 with the help of the signal Sp (setting).

램프 생성기(765)는 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)를 활성화시킴으로써 캔틸레버(410)를 샘플 표면을 향해 구부리기 위한 신호(767)를 생성한다. 램프 생성기(765)의 카운터는 리셋 신호(res)를 이용하여 비교기(745)에 의해 정지되고, 비교기(745)의 출력에서의 전압 램프(767)는 초기값으로 리셋된다. 그 결과, 레이저 시스템(630)은 스위치 오프되고, 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)은 샘플 표면(515)으로부터 회수된다.The ramp generator 765 generates a signal 767 for bending the cantilever 410 toward the sample surface by activating the second actuator 490 of the cantilever 410. [ The counter of the ramp generator 765 is stopped by the comparator 745 using the reset signal res and the voltage ramp 767 at the output of the comparator 745 is reset to the initial value. As a result, the laser system 630 is switched off and the measurement tip 460 of the measurement probe 400 is recovered from the sample surface 515.

승산 유닛(775)은 메모리(775)의 출력의 신호, 즉 위상 성분(φ)과 주사 홀드 회로 장치(740)의 출력의 신호, 즉 측정 프로브(400)의 고유 진동의 여기 신호의 진폭 성분(A)을 승산한다. 합산 요소(Σ770)는 램프 생성기(765) 및 승산 유닛(755)의 출력 신호(767)를 가산한다.The multiplication unit 775 multiplies the amplitude component of the excitation signal of the natural oscillation of the measurement probe 400, that is, the signal of the output of the memory 775, that is, the phase component? And the signal of the output of the scan- A). The summing factor [Sigma] 770 adds the ramp generator 765 and the output signal 767 of the multiplying unit 755. [

자여 발진 회로 장치(790)의 출력 신호(785)는 디지털-아날로그 변환기 DAC(795)에 의해 아날로그 여기 신호(665)로 변환되고, 상기 아날로그 여기 신호는 레이저 시스템(630)에 공급된다. 도 5에 도시된 것처럼, 캔틸레버(410)를 굴곡시키기 위한 측정 프로브(400) 및 제2 레이저 시스템(570)의 고유 진동을 여기시키기 위한 제1 레이저 시스템(530)이 사용되며, 승산 유닛(755)의 출력 신호는 디지털-아날로그 변환 후에 제1 레이저 시스템(530)에 공급된다. 램프 발생기(765)의 출력 신호(767)는 적절한 디지털-아날로그 변환 후에 제2 레이저 시스템(570)을 제어한다. 이 실시예에서, 자여 발진 회로 장치(790)는 합산 소자(770)를 필요로 하지 않는다.The output signal 785 of the self-oscillating circuit device 790 is converted to an analogue excitation signal 665 by a digital-to-analog converter DAC 795 and the analogue excitation signal is supplied to the laser system 630. 5, a measurement probe 400 for bending the cantilever 410 and a first laser system 530 for exciting the natural vibrations of the second laser system 570 are used, and a multiplication unit 755 Is supplied to the first laser system 530 after digital-to-analog conversion. The output signal 767 of the ramp generator 765 controls the second laser system 570 after appropriate digital-to-analog conversion. In this embodiment, the self-oscillating circuit device 790 does not require the summing element 770.

도 8은 주사 탐침 현미경(500)의 주사 모드 또는 스텝인 주사 모드의 사이클을 나타낸다. 도식의 설명은 좌측 상부에서 시작한다. 초기 상태에서, 측정 프로브(400)는 그의 고유 주파수에서 진동하도록 여기된다. 이 상태에서, 도 5의 제1 레이저 시스템(530)은 켜지고 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 제1 액추에이터(480)를 활성화시킨다. 제1 단계에서, 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)에 의해 야기되는 캔티레버(410)를 구부림으로써 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 샘플 표면(515) 상에서 낮추기 위하여 레이저 시스템, 예를 들면 레이저 시스템(630)의 연속파 출력 전력이 증가되거나 또는 제2 레이저 시스템(570)이 스위치 온된다.FIG. 8 shows a cycle of the scanning mode or the scanning mode of the scanning probe microscope 500. FIG. The description of the scheme begins at the upper left corner. In the initial state, the measurement probe 400 is excited to vibrate at its natural frequency. In this state, the first laser system 530 of FIG. 5 is turned on and activates the first actuator 480 of the cantilever 410 of the measurement probe 400. In the first step a laser system is used to lower the measurement tip 460 of the measurement probe 400 on the sample surface 515 by bending the cantilever 410 caused by the second actuator 490 of the cantilever 410, For example, the continuous wave output power of the laser system 630 is increased or the second laser system 570 is switched on.

다음 블록 또는 단계에서, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 미리 결정된 임계값 아래로 떨어질 때까지 대기한다. 도 7의 맥락에서 설명한 바와 같이, 이것은 검출기(545)의 도움으로 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭을 연속적으로 측정함으로써 그리고 미리 결정된 임계치와의 비교에 의해 달성된다.In the next block or step, the process waits until the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400 falls below a predetermined threshold value. As described in the context of FIG. 7, this is accomplished by continuously measuring the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400 with the aid of the detector 545 and by comparison with a predetermined threshold.

측정 프로브(400)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)과 접촉하면, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 여기는 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프시킴으로써 제3 블록에서 종료된다. 정현파 여기 신호는 도 6 및 도 7의 레이저 시스템(630)에서 정지된다.When the measurement tip 460 of the measurement probe 400 contacts the sample surface 515, excitation of the natural vibration of the measurement probe 400 is terminated in the third block by switching off the first laser system 530. The sinusoidal excitation signal is stopped at the laser system 630 of FIGS. 6 and 7.

다음 단계에서, 측정 팁(460)의 수직 위치는 제3 레이저 시스템(540) 및 검출 유닛(585)의 도움으로 제4 블록에서 측정된다. 측정 팁(460)의 수직 위치는 검출기(545)의 측정 신호가 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 결정을 용이하게 한 직후에, 제2 검출 유닛(585)에 의해 측정된다. 결과적으로, 스텝인 측정 사이클에 대한 시간 간격은 짧게 유지될 수 있다. 측정 팁(460)의 위치를 결정한 후에, 제2 액추에이터(490)에 의한 캔틸레버(410)의 굽힘은 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프시킴으로써 정지된다. 레이저 시스템(630)은 도 6 및 도 7에서 스위치 오프된다.In the next step, the vertical position of the measurement tip 460 is measured in the fourth block with the aid of the third laser system 540 and the detection unit 585. The vertical position of the measurement tip 460 is measured by the second detection unit 585 immediately after the measurement signal of the detector 545 facilitates the determination of the contact between the measurement tip 460 and the sample surface 515 do. As a result, the time interval for the measurement cycle in steps can be kept short. After determining the position of the measurement tip 460, the bending of the cantilever 410 by the second actuator 490 is stopped by switching off the second laser system 570. The laser system 630 is switched off in Figures 6 and 7.

그런 다음, 측정 팁(460)이 샘플(510)을 들어 올릴 때까지 제5 단계 또는 블록에서 대기한다. 도 6의 설명의 맥락에서, 3 개의 대안 방법이 특정되며, 이에 기초하여 이것이 발생하는 시간 또는 어떻게 제1 레이저 시스템(530)이 다시 스위치 온되는 시간이 확인될 수 있는지 또는 어떻게 정현파 여기 신호가 레이저 시스템(630)에 가해질 수 있는 시간이 확인될 수 있는지를 결정하는 것이 가능하다. 여기 유닛(560)의 제어하에서, 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 측정 프로브(400)의 공진 주파수에서 여기(675) 또는 여기 신호(675)를 생성하고, 이를 측정 팁(460)을 들어 올림에 의해 생성되는 측정 프로브(400)의 진동에 위상면에서 중첩시킨다. 이를 위해, 레이저 시스템(530 또는 630)은 캔틸레버(410)의 제1 액추에이터(480)를 활성화시킨다.The measurement tip 460 then waits in the fifth step or block until it lifts the sample 510. [ In the context of the description of FIG. 6, three alternative methods are specified, based on which time it occurs or how the first laser system 530 is switched on again, or how the sinusoidal excitation signal It is possible to determine if the time that can be applied to the system 630 can be ascertained. Under the control of the excitation unit 560, the self-oscillating circuit devices 590 and 790 generate an excitation 675 or an excitation signal 675 at the resonant frequency of the measurement probe 400, And superimposed on the vibration of the measurement probe 400 produced by the upward movement in the phase plane. To this end, the laser system 530 or 630 activates the first actuator 480 of the cantilever 410.

그 후, 제6 단계에서 주사 홀드 회로 장치(640, 740)가 주사 모드에서 홀드 모드로 전환된다. 이미 전술한 바와 같이, 이것은 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근하는 경우에 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭 폐루프 제어가 샘플(520), 캔틸레버(410) 및/또는 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 손상시키는 것을 방지한다. 그 다음, SPM(500)은 추가 주사 사이클을 위해 준비된다.Thereafter, in the sixth step, the scan hold circuit devices 640 and 740 are switched from the scan mode to the hold mode. This is because amplitude closed loop control of the natural oscillation of the measurement probe 400 when the measurement tip 460 approaches the sample surface 515 is controlled by the sample 520, the cantilever 410 and / Thereby preventing the measurement tip 460 of the probe 400 from being damaged. The SPM 500 is then ready for an additional scan cycle.

이미 위에서 설명된 바와 같이, 도 2 및 도 3은 캔틸레버(410)의 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에서 들어 올려짐에 의한 그 공진 주파수에서 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 진동의 여기를 도시한다. 도 9는 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에서 들어 올려질 때 캔틸레버(410)의 진동 여기의 예를 나타낸다. 도 3에서와 같이, 샘플 팁(460)을 샘플 표면(515)에서 들어 올림에 의해 여기되는 캔틸레버(410)의 진동은 단지 약한 감쇠만 있을 뿐이다. 예를 들어, 이것은 캔틸레버(410)의 스프링 상수가 작고 측정 프로브(400)가 진공 환경에서 작동되는 경우, 즉 측정 프로브(400)에 의해 경험되는 주변 압력이 1 파스칼의 영역에 있거나, 보다 현저히 낮은 경우 발생할 수 있다.2 and 3 illustrate how the cantilever 410 of the measurement probe 400 vibrates at its resonant frequency as the measurement tip 460 of the cantilever 410 is lifted from the sample surface 515, FIG. 9 shows an example of the vibration excitation of the cantilever 410 when the measurement tip 460 is lifted from the sample surface 515. Fig. As in FIG. 3, the oscillation of the cantilever 410 excited by lifting the sample tip 460 at the sample surface 515 is merely a weak attenuation. For example, this may be the case if the spring constant of the cantilever 410 is small and the measuring probe 400 is operated in a vacuum environment, i.e. the ambient pressure experienced by the measuring probe 400 is in the region of one pascal, Can occur.

도 9 및 도 10에서, 시간은 횡좌표를 따라 임의의 단위로 도시된다. 두 도면의 종좌표는 나노 미터 단위의 샘플 표면(515)으로부터의 측정 팁(460)의 거리를 나타낸다. 초기 상황에서, 측정 팁(460)은 샘플 표면(515)으로부터 100 nm의 평균 거리를 갖는다. 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)는 대략 10 nm의 진폭으로 진동한다. 제2 레이저 시스템(570)은 시간 T1에서 스위치 온되고 캔틸레버(410)의 제2 액추에이터(490)는 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 평균 거리를 감소시킨다. 시간 T2에서, 제어 유닛(610)은 측정 프로브(400)의 진동의 진폭이 미리 정해진 임계치 아래로 떨어짐을 검출하고 제1 레이저 시스템(530)을 스위치 오프한다. 측정 팁(460)의 수직 위치는 시간 T3에서 측정된다. 제어 유닛(610)은 시간 T4에서 제2 레이저 시스템(570)을 스위치 오프시킨다.In Figures 9 and 10, time is shown in arbitrary units along the abscissa. The ordinate in both figures represents the distance of the measurement tip 460 from the sample surface 515 in nanometers. In the initial situation, the measurement tip 460 has an average distance of 100 nm from the sample surface 515. The cantilever 410 of the measurement probe 400 vibrates at an amplitude of approximately 10 nm. The second laser system 570 is switched on at time T 1 and the second actuator 490 of the cantilever 410 reduces the average distance between the measurement tip 460 and the sample surface 515. At time T 2 , the control unit 610 detects that the amplitude of the oscillation of the measurement probe 400 has fallen below a predetermined threshold and switches off the first laser system 530. The vertical position of the measurement tip 460 is measured at time T 3 . The control unit 610 switches off the second laser system 570 at time T 4 .

도 9에서, 측정 표면(515) 상에 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)을 하강시키는 동안 캔틸레버(410)의 여기 주파수는 캔틸레버(410)의 공진 주파수에 가깝지만, 동일하지 않다. 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)으로부터 분리된 후, 캔티 레버(410)는 비트(beat; 950)를 나타내는데, 이는 주파수가 고유 주파수와 상이한 여기와 측정 팁(460)이 심플 표면에서 들어올려짐에 의해 유도되는 측정 프로브(400)의 고유 주파수에서의 여기의 중첩에 의해 초래된다. 측정 프로브(400)의 고유 진동이 실질적으로 감쇠할 때까지 계속되는 이 비트(950)는 이 시간 이전에 새로운 스텝인 사이클이 시작되는 것을 방지한다. 결과적으로, 스텝인 주사 모드의 주사 속도는 낮아서, 샘플 표면(515)에 대한 긴 검사 시간을 초래한다.9, the excitation frequency of the cantilever 410 is close to, but not equal to, the resonant frequency of the cantilever 410 while the measurement tip 460 of the measurement probe 400 is lowered on the measurement surface 515. After the measurement tip 460 is detached from the sample surface 515, the cantilever 410 represents a beat 950, which includes an excitation whose frequency is different from the natural frequency and the measurement tip 460 is received at the simple surface Is caused by superposition of excitation at the natural frequency of the measurement probe 400 induced by lifting. This bit 950, which continues until the natural vibration of the measurement probe 400 is substantially attenuated, prevents the cycle, which is a new step before this time, from starting. As a result, the scan speed of the step-in scan mode is low, resulting in a long scan time for the sample surface 515.

도 10은 도 9의 구성을 나타내며, 측정 프로브(400)의 여기(675)가 그 공진 또는 고유 주파수에서 정확하게 수행된다는 차이점이 있다. 이 경우, 측정 팁(460)을 측정 표면(515)에서 들어 올림에 의해 여기되는 측정 프로브(400)의 고유 진동(1150)은 측정 팁(460)을 샘플 표면(515)으로 낮췄을 때 존재하는 고유 진동(1050)을 가능한 신속하게 복원하는 것을 것을 돕는다. 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 진폭이 측정 팁(460)이 샘플 표면(515)에 접근할 때 보이는 수준으로 떨어질 때까지 기다기만 하면 된다.Fig. 10 shows the configuration of Fig. 9, with the difference that the excitation 675 of the measurement probe 400 is performed accurately at its resonant or natural frequency. In this case, the natural vibration 1150 of the measurement probe 400 that is excited by lifting the measurement tip 460 from the measurement surface 515 can be measured when the measurement tip 460 is lowered to the sample surface 515 Which helps to restore the natural vibration 1050 as quickly as possible. It is sufficient to wait until the amplitude of the natural vibration 1050 of the measurement probe 400 drops to a level seen when the measurement tip 460 approaches the sample surface 515. [

도 9의 비트(950)는 측정 팁(460)의 수직 위치를 결정하는 경우의 측정 오차에 직접 포함된다. 따라서, 고유 진동의 진폭이 다음 스텝인 측정 사이클 이전에 허용 가능한 측정 에러 이하로 감쇠될 때까지 기다릴 필요가 있다. 허용 가능한 측정 오차는 일반적으로 1 nm보다 현저히 적다. 도 10에 도시된 자여 발진의 경우, 고유 진동의 진폭이 고유 진동(1050)의 진폭의 설정값에 도달 할 때까지 기다릴 필요가 있다. 이러한 차이는 간단한 예를 사용하여 설명되어야 한다.The bit 950 of FIG. 9 is directly included in the measurement error when determining the vertical position of the measurement tip 460. Therefore, it is necessary to wait until the amplitude of the natural vibration is attenuated to below the allowable measurement error before the measurement cycle, which is the next step. Acceptable measurement errors are generally significantly less than 1 nm. In the case of the self-oscillation shown in Fig. 10, it is necessary to wait until the amplitude of the natural vibration reaches the set value of the amplitude of the natural vibration 1050. [ These differences should be explained using a simple example.

예로서, 측정 프로브(400)는 Q = 1000의 품질 계수를 갖는다. 고유 진동(1050)의 최대 진폭은 300 nm이다. 도 9에서 설명한 비트(950)의 경우, 새로운 스텝인 측정 사이클이 시작되기 전에 고유 진동의 진폭이 0.5 nm로 감소될 필요가 있다. 도 10에 도시된 고유 진동(1050)의 진폭은 50nm이다. 여기가 없으면, 측정 프로브(400)의 고유 진동의 진폭이 기하 급수적으로 감소한다. 고유 진동의 진폭이 50nm로 떨어지면, 약 150 진동 주기의 지속 시간이 요구되는 반면, 0.5nm으로의 진폭의 감소는 약 500 진동 주기의 지속 기간을 필요로 한다. 결과적으로, 스텝인 측정 사이클의 지속 시간은 측정 프로브(400)를 그것의 고유 주파수로 여기시킴으로써 대략 3 배만큼 감소될 수 있다.As an example, the measurement probe 400 has a quality factor of Q = 1000. The maximum amplitude of the natural vibration 1050 is 300 nm. In the case of the bit 950 described in FIG. 9, the amplitude of the natural oscillation needs to be reduced to 0.5 nm before the measurement cycle, which is a new step, begins. The amplitude of the natural vibration 1050 shown in Fig. 10 is 50 nm. Without this excitation, the amplitude of the natural vibration of the measurement probe 400 decreases exponentially. When the amplitude of the natural vibration drops to 50 nm, a duration of about 150 vibration cycles is required, whereas a reduction of the amplitude to 0.5 nm requires a duration of about 500 vibration cycles. As a result, the duration of the measurement cycle, which is a step, can be reduced by about three times by exciting the measurement probe 400 to its natural frequency.

마지막으로, 도 11은 스텝인 주사 모드 동안 주사 탐침 현미경(500)의 주사 속도를 증가 시키는데 사용될 수 있는 방법의 흐름도(1100)를 재생산한다. 이 방법은 단계(1110)에서 시작한다. 단계(1120)에서, 측정 프로브(400)는 샘플 표면(515) 위로 스텝인 주사 모드로 주사된다. 단계(1130)에서, 스텝인 주사 모드 동안 자여 발진 회로 장치에 의해 측정 프로브(400)가 고유 진동으로 여기된다. 상기 방법은 단계(1140)에서 종료한다.Finally, FIG. 11 reproduces a flowchart 1100 of a method that may be used to increase the scan speed of the scan probe microscope 500 during a step-in scan mode. The method begins at step 1110. [ In step 1120, the measurement probe 400 is scanned in a step-by-scan mode over the sample surface 515. In step 1130, the measurement probe 400 is excited to the natural oscillation by the self-oscillating circuit device during the step-in scan mode. The method ends at step 1140.

Claims (19)

주사 탐침 현미경(500)으로서;
a. 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하도록 구현된 주사 유닛(555); 및
b. 상기 스텝인 주사 모드 동안 상기 측정 프로브(400)를 고유 진동(1050)으로 여기하도록 구현된 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 가지고, 또한
c. 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)에 대한 여기(675)의 위상을 설정하도록 구현된 위상 시프터(630)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).As a scanning probe microscope (500);
a. A scanning unit 555 configured to scan the measurement probe 400 in a step-by-scan mode over the sample surface 515; And
b. Having self-oscillating circuit devices (590, 790) configured to excite the measurement probe (400) to the natural vibration (1050) during the step-in scan mode,
c. The self-oscillating circuit arrangement 590,790 includes a phase shifter 630 implemented to set the phase of the excitation 675 for the natural vibration 1050 of the measurement probe 400. The scanning probe microscope 500 ). 청구항 1에 있어서, 상기 위상 시프터(630)는 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 가능한 최적 여기와 관련하여 ±30°, 바람직하게는 ±20°, 보다 바람직하게는 ±10° 및 가장 바람직하게는 ±5°의 범위의 위상차로 상기 여기(675)를 설정하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).The phase shifter of claim 1, wherein the phase shifter (630) has a phase shift of ± 30 °, preferably ± 20 °, more preferably ± 10 °, and most preferably, And is preferably configured to set the excitation (675) to a phase difference in the range of &lt; RTI ID = 0.0 &gt; +/- 5. &Lt; / RTI & 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 진폭을 설정하도록 구현된 자동 이득 폐루프 제어(670)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).The self-oscillating circuit arrangement (590, 790) of claim 1 or 2, wherein the self-oscillating circuit arrangement (590, 790) comprises an automatic gain closed loop control (670) implemented to set the amplitude of the natural oscillation (1050) Scanning probe microscope (500). 청구항 3에 있어서, 상기 자동 이득 폐루프 제어(670)는 적어도 하나의 증폭기(620), 주사 홀드 회로 장치(640, 740), 및 제어 유닛(610)을 포함하며, 상기 제어 유닛(610)은 주사 모드와 홀드 모드 사이(630)에서 상기 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 스위칭하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).4. The system of claim 3, wherein the automatic gain closed loop control (670) comprises at least one amplifier (620), scan hold circuit devices (640, 740), and a control unit (610) Hold circuit device (640, 740) between the scan mode and the hold mode (630). 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 디지털 회로(700)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).The scanning probe microscope (500) according to any one of claims 1 to 4, wherein the self-oscillating circuit device (590, 790) is implemented as a digital circuit (700). 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)는 FPGA(field-programmable gate array; 700) 또는 주문형 집적 회로(ASIC)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).The self-oscillating circuit device (590, 790) of any one of claims 1 to 5, wherein the self-oscillating circuit device (590, 790) is implemented as a field-programmable gate array (700) or an application specific integrated circuit . 청구항 4 내지 청구항 6 중 어느 한 항에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 여기를 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)에 전달하도록 구현된 제1 액추에이터(480) 및 상기 자동 이득 폐루프 제어(670)의 상기 제어 유닛(610)으로부터의 신호를 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)에 전달하도록 구현된 제2 액추에이터(490)를 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).The probe according to any one of claims 4 to 6, further comprising a first actuator (480) implemented to transmit excitation of the self-oscillating circuit device (590, 790) to the cantilever (410) of the measurement probe (400) The scanning probe microscope 500 further having a second actuator 490 implemented to deliver a signal from the control unit 610 of the gain closed loop control 670 to the cantilever 410 of the measurement probe 400. [ . 청구항 7에 있어서, 상기 자여 발진 회로 장치(590, 700)의 여기를 상기 제1 액추에이터(480)에 전달하도록 구현된 제1 레이저 시스템(530) 및 상기 제어 유닛(610)으로부터의 신호를 상기 제2 액추에이터(490)에 전달하도록 구현된 제2 레이저 시스템(570)을 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).The system of claim 7, further comprising: a first laser system (530) implemented to deliver an excitation of the self-oscillating circuit device (590, 700) to the first actuator (480) 2 actuator &lt; RTI ID = 0.0 &gt; 490. &lt; / RTI &gt; 청구항 7 또는 청구항 8에 있어서, 상기 제1 액추에이터(480) 및 상기 제2 액추에이터(490)는 바이모프 액추에이터(440)로 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).The scanning probe microscope (500) according to claim 7 or 8, wherein the first actuator (480) and the second actuator (490) are implemented as a bimorph actuator (440). 청구항 9에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 캔틸레버(410)는 바이모프 액추에이터(440)를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).The scanning probe microscope (500) of claim 9, wherein the cantilever (410) of the measurement probe (400) comprises a bimorph actuator (440). 청구항 7 내지 청구항 10 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 편향을 검출하도록 구현되는 검출기(545) 및 상기 측정 프로브(400)의 캔틸레버(410)의 자유 단부(450)의 수직 위치를 검출하도록 구현되는 검출 유닛(585)를 더 갖는, 주사 탐침 현미경(500).The method according to any one of claims 7 to 10, further comprising a detector (545) implemented to detect the deflection of the cantilever (410) of the measurement probe (400) and a free end of the cantilever (410) 450), the detection unit (585) being configured to detect a vertical position of the scanning probe microscope (450). 청구항 1 내지 청구항 11 중 어느 한 항에 있어서, 상기 주사 유닛(555) 및 여기 유닛(560)을 포함하는 제어 장치(550)를 더 가지며, 상기 여기 유닛(560)은 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 제어하도록 구현되는, 주사 탐침 현미경(500).The excitation oscillating circuit device according to any one of claims 1 to 11, further comprising a control device (550) including the scanning unit (555) and the excitation unit (560) , 790). &Lt; / RTI &gt; 청구항 1 내지 청구항 12 중 어느 한 항에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 고유 진동(1050)의 진폭은 1nm 내지 1000nm, 바람직하게는 5nm 내지 700nm, 보다 바람직하게는 10nm 내지 500nm 및 가장 바람직하게는 20nm 내지 200nm의 범위를 포함하는, 주사 탐침 현미경(500).The measuring probe according to any one of claims 1 to 12, wherein the amplitude of the natural vibration (1050) of the measurement probe (400) is in the range of 1 nm to 1000 nm, preferably 5 nm to 700 nm, more preferably 10 nm to 500 nm, Comprises a range of 20 nm to 200 nm. 스텝인 주사 모드로 동작하는 주사 탐침 현미경(500)의 주사 속도를 증가시키는 방법으로서, 이하 단계들:
a. 샘플 표면(515) 위로 측정 프로브(400)를 스텝인 주사 모드로 주사하는 단계;
b. 자여 발진 회로 장치(590, 790)를 이용하여 상기 스텝인 주사 모드 동안 고유 진동(1050)을 수행하기 위하여 상기 측정 프로브(400)를 여기하는 단계; 및
c. 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 위상 시프터(630)를 이용하여 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)에 대한 여기(675)의 위상을 설정하는 단계
를 포함하는, 방법.1. A method for increasing the scanning speed of a scanning probe microscope (500) operating in a step-in scanning mode, comprising the steps of:
a. Scanning the measurement probe (400) in a step-by-scan mode over the sample surface (515);
b. Exciting the measurement probe (400) to perform a natural vibration (1050) during the step-in scan mode using self-oscillating circuit devices (590, 790); And
c. Setting the phase of the excitation 675 for the natural vibration 1050 of the measurement probe 400 using the phase shifter 630 of the self-oscillating circuit device 590, 790
/ RTI &gt; 청구항 14에 있어서, 상기 단계 a. 및 b.는:
d. 단계 b.에서: 상기 자여 발진 회로 장치(590, 790)의 여기를 상기 측정 프로브(400)에 전달하도록 구현되는 제1 액추에이터(480)를 작동시키는 단계;
e. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)과 샘플 표면(515) 사이의 거리를 변화시키도록 구현되는 제2 액추에이터(490)를 작동시키는 단계;
f. 단계 a.에서: 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 검출하는 단계
를 포함하는, 방법.15. The method of claim 14, wherein step a. And b.
d. In step b.: Actuating a first actuator (480) implemented to deliver an excitation of the self-oscillating circuit device (590, 790) to the measurement probe (400);
e. In step a.: Actuating a second actuator 490 implemented to vary the distance between the measurement tip 460 of the measurement probe 400 and the sample surface 515;
f. In step a.: Detecting contact between the measurement tip (460) of the measurement probe (400) and the sample surface (515)
/ RTI &gt; 청구항 14 또는 청구항 15에 있어서, 상기 단계 a. 및 b.는 이하 단계들:
g. 단계 b.에서: 상기 제2 액추에이터(490)를 작동시키는 단계;
h. 단계 b.에서: 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 주사 모드로부터 홀드 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동정지시키는 단계;
i. 단계 b.에서: 상기 측정 프로브(400)의 상기 고유 진동(1050)의 진폭이 미리 결정된 임계값 이하로 떨어지는 경우에 상기 제1 액추에이터(480)를 작동정지시키는 단계;
j. 단계 a.에서: 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515)의 접촉을 검출한 이후에 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)의 수직 위치를 결정하는 단계;
k. 단계 a.에서: 상기 제2 액추에이터(419)를 작동정지시키고, 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉의 손실이 있을 때까지 미리 결정된 지속 시간을 대기하는 단계;
l. 단계 b.에서: 상기 제1 액추에이터(480)를 동상으로 작동시키는 단계;
m. 단계 b.에서: 상기 주사 홀드 회로 장치(640, 740)를 홀드 모드로부터 주사 모드로 스위칭함에 의해 진폭 폐루프 제어를 작동시키는 단계
를 더 포함하는, 방법.The method according to claim 14 or 15, wherein the step a. And b.
g. In step b.: Actuating the second actuator 490;
h. In step b.: Turning off the amplitude closed loop control by switching the scan hold circuit devices 640, 740 from the scan mode to the hold mode;
i. In step b.: Stopping the first actuator (480) when the amplitude of the natural vibration (1050) of the measurement probe (400) falls below a predetermined threshold value;
j. Determining the vertical position of the measurement tip (460) of the measurement probe (400) after detecting contact between the measurement tip (460) and the sample surface (515) in step a.
k. In step a., The second actuator (419) is deactivated and a predetermined duration of time until there is a loss of contact between the measuring tip (460) of the measuring probe (400) and the sample surface (515) ;
l. In step b.: Operating the first actuator (480) in phase;
m. Step b.: Activating the amplitude closed loop control by switching the scan hold circuit devices 640, 740 from the hold mode to the scan mode
&Lt; / RTI &gt; 청구항 15에 있어서, 상기 측정 프로브(400)의 상기 측정 팁(460)과 상기 샘플 표면(515) 사이의 접촉을 검출하는 단계는 이 지점에서의 상기 측정 프로브(400)의 측정 팁(460)의 수직 위치의 결정을 포함하는, 방법.The method of claim 15, wherein detecting the contact between the measurement tip (460) and the sample surface (515) of the measurement probe (400) comprises detecting a contact of the measurement tip (460) And determining a vertical position. 청구항 14 내지 청구항 17 중 어느 한 항에 있어서, 상기 제1 액추에이터(480)의 작동 없이 상기 측정 프로브(400)의 고유 진동(1050)의 감쇠 곡선으로부터 상기 제1 액추에이터(480)의 동상 작동을 위한 스위치 온 시간을 결정하는 단계를 더 갖는, 방법.The method according to any one of claims 14 to 17, further comprising the step of: determining, from the attenuation curve of the inherent vibration (1050) of the measuring probe (400), for the coinjection of the first actuator (480) Further comprising the step of determining a switch-on time. 컴퓨터 시스템에 의해 실행되는 경우에, 청구항 14 내지 청구항 18 중 어느 한 항 기재의 방법 단계들을 수행하기 위하여 컴퓨터 시스템을 프롬프트하는 명령들을 포함하는, 컴퓨터 프로그램.

A computer program comprising instructions for prompting a computer system to perform the method steps of any of claims 14 to 18 when executed by a computer system.

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